автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка и исследование комбинированного режущего инструмента для обработки отверстий сложного профиля

/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э. Баумана

На правах рукописи

Мальков Олег Вячеславович

УДК 621.99

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ

Специальность 05.03.01. Процессы механической и физико-технической обработки,

станки и инструмент

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Литвиненко A.B.

Москва, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................... 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................................... 7

1.1. Классификация резьб и видов резьбовых отверстий, применяемых в машиностроении................................................ 7

1.2. Анализ существующих способов изготовления цилиндрических внутренних резьб........................................................ 10

1.3. Комбинированные инструменты для обработки отверстий сложного профиля................................................................... 19

1.4. Патентные исследования комбинированных инструментов для обработки отверстий сложного профиля................. 22

1.5. Описание конструктивных особенностей элементов комбинированного инструмента для обработки отверстий сложного профиля................................................................... 34

ГЛАВА2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО ИНСТРУМЕНТА....... 41

2.1. Определение и расчет основных конструктивных элементов и геометрических параметров сверлильной части........ 41

2.2. Определение и расчет основных конструктивных элементов и геометрических параметров расточной части............ 47

2.3. Определение и расчет основных конструктивных элементов

и геометрических параметров резьбообразующей части.... 52

2.3.1. Определение конструктивных и геометрических параметров резьбобразующей части........................................ 52

2.3.2. Разработка методики определения диаметра резьбообразующей части................................................................. 55

2.3.3. Разработка методики расчета профиля зубьев резьбо-

образующей части.............................................................. 72

2.3.4. Разработка методики определения геометрических параметров на режущих кромках зубьев резьбообразую-щей части............................................................................ 85

2.3.5. Разработка методики определения кинематических геометрических параметров на режущих кромках зубьев резьбообразующей части....................................... 95

2.4. Определение и расчет основных конструктивных элементов и геометрических параметров зенковочной части........ 102

2.5. Выбор параметров хвостовой части сверло-резьбофрезы.. 110

2.6. Определение способа переточки инструмента при условии сохранения точности профиля резьбы.......................... 110

ГЛАВА З.ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ СВЕРЛО-РЕЗЬБОФРЕЗОЙ....................................... 121

ГЛАВА4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА................................................................................... 140

4.1. Обрабатываемый материал................................................... 140

4.2. Режущий инструмент............................................................. 141

4.3. Оборудование, приспособления и контрольно-измерительные приборы.................................................................... 146

4.3.1. Оборудование и СОТС...................................................... 146

4.3.2. Описание работы тензометрической станции и порядок обработки полученных экспериментальных данных....... 147

4.4. Подготовка полученных образцов отверстий к проведению лабораторных измерений........................................... 151

4.5. Методика измерения разбивки просверленного отверстия

и оценки его формы............................................................... 154

4.6. Методики определения величины разбивки профиля на-

резанной резьбы..................................................................... 155

4.7. Методика определения шероховатости боковых сторон профиля нарезанной резьбы.................................................. 157

4.8. Методы обработки и анализа результатов измерений просверленных отверстий........................................................... 157

4.9. Параметры эксплуатации базовых инструментов............... 159

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СВЕРЛО-

РЕЗЬБОФРЕЗ.......................................................................... 162

5.1. Исследование осевой силы Р0 и крутящего момента МКр при испытании сверло-резьбофрезы на этапе сверления отверстий под резьбу............................................................. 163

5.2. Исследование влияния различий конструктивных и геометрических параметров сверлильной части сверло-резьбофрезы и спирального сверла на величину разбивки и форму отверстия..................................................................... 168

5.3. Исследование силы резания при фрезеровании различными частями сверло-резьбофрезы...................................... 171

5.4. Исследование параметров профиля резьб, изготовленных

в отверстиях сложного профиля сверло-резьбофрезой....... 180

5.5. Оценка работоспособности кинематических схем обработки отверстий сложного профиля с различным направлением резьбы........................................................................ 190

5.6. Рекомендации по промышленному применению сверло-резьбофрез.............................................................................. 190

ГЛАВА 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОЙ

ОБЛАСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СВЕРЛО-РЕЗЬБОФРЕЗ.... 195

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................................ 208

Список использованной литературы.................................................... 210

Приложения........................................................................................... 220

ВВЕДЕНИЕ

Детали с резьбой относятся к числу наиболее распространенных в машиностроении. Обработка резьбы занимает значительный удельный вес в общем числе операций, выполняемых в механических цехах машиностроительных заводов и специализированном производстве резьбовых изделий.

Непрерывное повышение требований к качеству резьбовых соединений и росту производительности операций резьбообработки выдвигает необходимость внедрения новых, более совершенных и производительных методов резьбообразования и конструкций резьбообра-зующего инструмента.

Отверстия сложного профиля, широко применяемые в машиностроении, содержат, как правило, несколько поверхностей различного типа (цилиндрические, конические и т.д.), в том числе, резьбовые участки. Процесс изготовления этих отверстий является сложной технологической задачей и обычно состоит из нескольких переходов, выполняемых инструментами различного вида в соответствии с технологической последовательностью; штучное время изготовления является суммой штучных времен на каждом переходе, что определяет производительность; погрешности накапливаются от перехода к переходу; используется большое количество технологического оборудования, оснастки и контрольно-измерительных средств; присущи и другие особенности.

Изготовление отверстий сложного профиля существенно усложняется при наличии участка, содержащего резьбу. Несмотря на множество способов изготовления внутренних резьб, основным способом для резьб до М36 является резьбонарезание метчиками. Кинематически и технологически работа метчиков резко отличается от других видов осевых инструментов. Поэтому применять комбинированные инстру-

менты, содержащие в конструкции элементы метчиков, удается в редких случаях. Вследствие этого отверстия сложного профиля, содержащие резьбовые участки, изготавливаются за несколько технологических переходов.

Повышение производительности труда в машиностроении в большой степени зависит от совершенствования конструкций режущих инструментов. В последние годы в особую группу были выделены комбинированные режущие инструменты, неразрывно связанные с передовой технологией и автоматизацией производства. Комбинированный инструмент находит широкое применение в условиях серийного и массового производства. Переход на использование комбинированного инструмента позволяет устранить многие недостатки, отмеченные выше, при обработке отверстий сложного профиля.

Современные металлорежущие станки с ЧПУ позволяют реализовать несколько кинематических схем формообразования резанием в пределах одного станка или обрабатывающего центра. Это и предопределило возможность создания комбинированного инструмента нового класса для обработки отверстий сложного профиля, в том числе содержащих резьбовой участок, методом последовательного совмещения кинематических схем резания в соответствии с классификацией, предложенной Г.И.Грановским. Реализация этих схем до появления станков с ЧПУ представляла затруднение.

Расчет и конструирование комбинированного инструмента представляет особую область в конструировании режущего инструмента, т.к. необходимо учесть совместность работы различных его частей.

Данная работа посвящена разработке и исследованию комбинированных резьбообразующих инструментов для обработки отверстий сложного профиля, содержащих резьбовые участки, с целью увеличения производительности и снижения себестоимости их обработки.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Классификация резьб и видов резьбовых отверстий, применяемых в машиностроении

Детали с резьбой относятся к числу наиболее распространенных в машиностроении. Все резьбы можно укрупнено разделить по следующим признакам [1-4]:

а) по расположению (основное деление в технологии изготовления резьб): наружные, внутренние;

б) по наклону образующей: цилиндрические, конические;

в) по форме профиля: треугольные, трапецеидальные, прямоугольные, круглые;

г) по числу заходов: однозаходные, многозаходные;

д) по направлению: правые, левые;

е) по системе размерности: метрические, дюймовые, модульные, питчевые;

ж) по точности (цилиндрические резьбы): точные, средней точности, грубые;

з) по эксплуатационному назначению: крепежные, ходовые, регулировочные, герметичные.

Статистическими исследованиями установлено [5], что чаще всего применяются метрические резьбы (около 90%) как основной представитель крепежных резьб, и только 10% - дюймовые. Приблизительно 80% резьб имеют правое направление, причем около 60% из них -резьбы в упор, остальные 40% - на проход. Наиболее распространенными являются резьбы в диапазоне диаметров 20...42 мм (42%), длиной до 40 мм (96%>), шагом до 3 мм (92%). Более половины резьб имеют 6-ю степень точности по ГОСТ 16093-81.

В дальнейшем, будем рассматривать резьбовое отверстие в котором, в качестве резьбы представлена цилиндрическая метрическая резьба, правая или левая, однозаходная, наиболее распространенных в машиностроении степеней точности - 6,7.

Выполненный анализ применяемых в машиностроении отверстий, содержащих резьбовой участок, показал [6-10], что большей частью такие отверстия содержат также цилиндрические, конические, торцевые, фасонные и другие участки. Обзор источников [11-13] не выявил термина, определяющего отверстие, которое помимо резьбового включает несколько участков различного вида. Поэтому в дальнейшем будем определять такие отверстия как отверстия сложного профиля (ОСП). Наличие нескольких участков определяет технологическую последовательность изготовления, состав режущих инструментов и параметры режимов резания.

На рис. 1.1 представлены некоторые виды ОСП, применяемые в машиностроении. Укрупненная классификация видов ОСП может быть представлена следующим образом: глухие и сквозные ОСП (рис. 1.1 а); ОСП с различным сочетанием поверхностей на торце (рис. 1.16): ци-

U о 1 vy _

линдрическои, коническои, фасонной; по расположению сочетания поверхностей (рис. 1.1 в): на торце ОСП, на длине нарезанной резьбы, на конце резьбы в теле детали; соосно расположенные ОСП с различным диаметром ступеней (рис. 1. 1г).

Наиболее часто применяются ОСП с расположением различных комбинаций цилиндрической и конической поверхностей на торце [7,8, 10,14,15]. На основании анализа источников [8,10,16] можно выделить следующие основные назначения торцевого элемента ОСП:

- улучшение собираемости резьбового соединения: заходные фаски, центрирующие цилиндрические выточки;

- опорная поверхность для: установочных элементов, уплотни-тельных колец;

Г

Рис. 1.1. Виды отверстий сложного профиля:

а - классифицированы по виду отверстия: глухое и сквозное; б - по сочетанию поверхностей на торце; в - по расположению нерезьбового участка; г - примеры соосно расположенных ОСП различного диаметра.

- увеличение сопротивления усталости крепежного узла, подверженного повышенным циклическим нагрузкам путем увеличения длины цилиндрической фаски на торце ОСП;

- центровое отверстие;

- центрирующий элемент.

Наиболее распространенной формой торцевого элемента ОСП является коническая фаска [7,14,15], поэтому в дальнейшем будем рассматривать ОСП с конической фаской на торце.

1.2. Анализ существующих способов изготовления цилиндрических внутренних резьб

Многообразие резьбовых соединений по форме, классам точности и посадкам обусловливает применение большой номенклатуры инструмента, оптимального по своей области применения [17].

В настоящее время известно много способов резьбообразования. Использование конкретного способа обработки резьбы [18] обусловлено следующими факторами: типом резьбы (форма профиля, заходность и т.д.), размерами профиля, требованиями по точности резьбы, механическими свойствами обрабатываемого материала, конструктивными особенностями обрабатываемой детали, объемом партии деталей с резьбой, наличием соответствующего оборудования.

В процессах механической обработки резьба образуется за счет удаления резьбонарезным инструментом части материала заготовки между выступами резьбы детали. В этом случае используют следующие методы формирования резьбы [2,19,20]: резание, пластическое деформирование, электрофизическую (ЭФО) и электрохимическую обработку (ЭХО). Возможно также применение различных комбинаций представленных методов. На рис. 1.2 представлена схема методов обработки внутренних резьб [2] из которой видно, что 95% способов воздействия

Способы воздействия инструмента на материал заготовки

Комбинированное воздействие Нарезание (95 %) Пластическое деформирование (накатывание) Растворение (ЭХО) Расплавление (ЭФО)

1\ И

/! \ ;.....:...... .....

Основные способы механической обработки

Нареза- Нарезание Фрезе- Точение Скорост- Протя- Шлифо-

ние го- метчика- рование ное фрезе- гивание вание

ловками ми (90 %) рование

Накатывание Планетарное Накатывание

головками накатывание метчиками

/

Рис. 1.2.

Классификация методов обработки резьб.

инструмента на материал заготовки принадлежит нарезанию, а на рис. 1.3 приведена диаграмма распределения способов обработки внутренних резьб в зависимости от типа производства [2], из которой видно, что нарезание внутренней резьбы метчиками является основным способом резьбоформирования во всех типах производства.

Рассмотрим подробнее возможности существующих способов формообразования резанием внутренних резьб.

Нарезание резьбы резцами. Нарезание резьбы (преимущественно треугольного и трапецеидального профиля) резцами (рис. 1.4а) находит широкое распространение на токарно-винторезных станках, полуавтоматах и автоматах в единичном и мелкосерийном производстве (рис. 1.3) [18,21-27]. Для точения внутренней резьбы возможно применение стержневого резца, круглой гребенки или комплекта из нескольких резцов [3,18,21-24,26-30].

Наибольшее распространение получила схема многопроходного точения одним резцом. В этом случае возможно подобрать оптимальные режимы обработки и осуществить работу оборудования в автоматическом цикле, в том числе и на станках с ЧПУ [3].

Следует отметить, что точение резьбы однониточным резцом (за исключением шлифования) может обеспечить высокую точность полученной резьбы по шагу и профилю, а также высокую точность взаимного расположения оси резьбы относительно других цилиндрических и торцовых поверхностей детали. Одним из достоинств точения резьбы является получение нескольких резьб разного диаметра и шага одним инструментом [3,18,28].

Однако, несмотря на все достоинства, точение внутренней резьбы не получило широкого распространения, как точение наружной резьбы. Вследствие консольного закрепления инструмента трудно нарезать резьбу большой длины и диаметра менее 20 мм [3]. Технологические возможности точения резьбы представлены в таблице 1 [2,3,31,32].

1% 1% <1% <0.1%

1

л

3 1 6 4 7 5

а

75%

2 1 6 б

Рис. 1.3. Диаграмма распределения способов обработки внутренних резьб в зависимости от типа производства: а - массовое и крупносерийное производство; б - единичное и мелкосерийное производство. 1 - точение; 2 - нарезание метчиком; 3 - нарезание резьбонарезными головками; 4 - резьбофрезерование; 5 - скоростное резьбофрезерование; 6 - шлифование; 7 - протягивание.

Нарезание метчиками. Метчики предназначены для нарезания или калибрования резьбы в отверстиях (рис. 1.46). Нарезание метчиками является самым распространенным способом изготовления резьбы, а для малых диаметров резьб единственно возможным. Метчики применяю