Технические науки / 8. Обработка материалов в машиностроении

Дудак Н. С., Итыбаева Г.Т., Мусина Ж. К., Таскарина А. Ж.

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова

Республика Казахстан, г. Павлодар

ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ

Одной из актуальных проблем машиностроения является обработка отверстий, к которым предъявляются высокие требования по точности размера, формы и расположения.

Обработка отверстий осуществляется металлорежущими инструментами: свёрлами, зенкерами, развёртками, протяжками, расточными резцами, блоками и расточными головками. В зависимости от требований к точности отверстий применяются соответствующие инструменты. Сверление и зенкерование являются предварительными операциями, остальные – чистовыми операциями.

Стандартные свёрла, имеющие спиральные или прямые стружечные канавки, а также перовые свёрла, применяемые для сверления отверстий в сплошном материале, имеют ряд недостатков, связанных с конструкцией режущей части и профиля поперечного сечения.

Процесс сверления существующими свёрлами протекает в тяжелых условиях резания: затруднён отвод стружки и подвод смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) из-за значительного трения стружки о поверхность канавок сверла и самого сверла об обработанную поверхность. Задний угол не является величиной постоянной – он возрастает по мере приближения к центру. Очень неблагоприятной является величина переднего угла на поперечной кромке. У стандартных спиральных свёрл передний угол на поперечной кромке составляет значение до минус 57˚– 60˚. Ввиду этого на поперечной кромке, которая воспринимает до 80% осевой силы, вместо резания имеет место смятие, выдавливание и скобление металла.

Многочисленные способы оформления режущей части и поперечной кромки не в полной мере устраняются силы, действующие на поперечную кромку, передний угол на поперечной кромке уменьшается, но всё-таки остаётся отрицательным. Указанные условия работы поперечной кромки значительно ухудшают условия обработки, качество обработанного отверстия и не дают кардинального решения вопроса повышения качества обработки, производительности, повышения стойкости инструментов. Большое тепловыделение при сверлении и истирающий эффект приводят к снижению скорости резания и усиленному изнашиванию свёрл.

Улучшение условий резания при сверлении привело к развитию направлений: совершенствование режущей части существующих свёрл; разработке новой, видоизменённой конструкции свёрл, имеющих другую форму поперечного сечения и разработке специальных режущих инструментов, имеющих принципиально новую конструкцию.

Разработаны новые металлорежущие инструменты – двухвершинное спиральное сверло без поперечной кромки и двухвершинное перовое сверло без поперечной кромки. Поперечная кромка на указанных свёрлах срезается, прорезанием канавки, одна стенка которой совпадает с осью или несколько смещена относительно оси. Это позволило исключить силу, возникающую на поперечной кромке стандартного сверла, улучшить силовые отношения в зоне резания, уменьшить образование тепла, повысить качество обработки [1-2].

Сверло «Зигзаг» имеет специальный профиль в поперечном сечении в виде стилизованной буквы «Z». Профиль сверла в поперечном сечении является ассиметричным, образован сочетанием широкого пера, передняя поверхность которого достигает оси сверла и исключает сердцевину, узкого пера, примерно равного по ширине четверти диаметра сверла, и косой перемычки между ними. Такая форма поперечного сечения позволяет расположить режущие кромки пера в одной осевой плоскости, исключить поперечную кромку, срезанием косой перемычки между перьями, повышенные износ, температуру и пониженную стойкость при использовании традиционных стандартных свёрл [3].

При обработке отверстий в корпусных деталях, втулках, фланцах и тому подобных деталях машин широко применяются операции зенкерования и разворачивания. Однако зенкер, наиболее распространенный инструмент для обработки отверстий после сверления, литья, кузнечной прошивки, как и любой другой инструмент с короткой и потому механически и термически тяжело нагруженной режущей частью имеет ограниченную по величине скорость резания и сравнительно низкую стойкость. Износ сосредотачивается в локальной области по небольшой длине режущей части. Разворачивание осуществляется со значительно меньшими скоростями резания, однако режущая часть также имеет сравнительно небольшую длину и подвергается значительному изнашиванию в процессе работы. У зенкера и развёртки небольшие по длине режущие кромки постоянно находятся в работе, а попадание смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону резания, где срезаемый материал при высокой температуре резания и большей степени деформации находится в условиях всестороннего гидростатического сжатия, затруднено, что способствует повышению интенсивности изнашивания. Кроме того, жёсткость шпиндельного узла сверлильных станков оказывается недостаточной. При большой длине обрабатываемого отверстия, большей длине режущего инструмента по этой причине снижается точность обработки и возрастает шероховатость.

Для повышения точности обработки, качества поверхности деталей и производительности разработаны конструкции режущих инструментов – зенкера-протяжки и развёртки-протяжки.

Зенкер-протяжка и развёртка-протяжка конструктивно построены по следующему принципу: в осевом сечении они имеет конструктивные признаки, соответствующие протяжке: передний хвостовик, шейку, переднюю и заднюю направляющие, режущую и калибрирующую части, а в поперечном сечении признаки зенкера либо развёртки: форма и число зубьев, геометрию режущей части.

В поперечном сечении профиль винтовых зубьев зенкера-протяжки и развёртки-протяжки может быть следующих исполнений: стандартный профиль зубьев зенкера, равноширокий профиль зубьев, у развёртки-протяжки ещё и режуще-деформирующий. Применение равноширокого профиля зубьев позволяет увеличить стойкость зенкера-протяжки, количество переточек, а, следовательно, и увеличить срок службы. Применение режуще-деформирующего профиля позволяет осуществлять процесс резания и поверхностное пластическое деформирование.

В новых конструкциях режущих инструментов использованы преимущества протяжки: сравнительно невысокая скорость резания, качество обработки (точность размера, шероховатость), уменьшение истирания.

Зенкер-протяжка и развёртка-протяжка позволяют значительно уменьшить разбивку отверстий, которая имеет место при обработке свёрлами и зенкерами, а также снизить шероховатость обработанной поверхности и повысить стойкость самих инструментов [4-5].

Для чистовой обработки отверстий 7–8 квалитета точности в массовом производстве часто используется протягивание. В процессе протягивания отверстий протяжками с круглыми зубьями сила резания скачкообразно изменяется вследствие переменного количества одновременно работающих зубьев, шаг которых обычно не кратен длине обрабатываемой детали.

В результате постоянно меняется напряжённо-деформируемое состояние технологической системы, и возникают колебания, которые уменьшают качество обработки (увеличивается шероховатость, отклонение от заданной геометрической формы отверстия) и снижают стойкость протяжки.

С целью устранения колебаний и напряжённо-деформируемого состояния технологической системы разработана протяжка с винтовыми равноширокими зубьями, что позволяет производить переточку протяжки по задней поверхности зубьев и улучшить качество обработки [6].

При применении протяжек с винтовыми равноширокими зубьями сила резания и количество одновременно работающих зубьев постоянны, тогда величина изменения силы резания практически равна нулю. Винтовые равноширокие зубья увеличивают плавность работы протяжки, повышают качество обрабатываемого отверстия. Кроме того, плавность работы уменьшает износ и повышает стойкость протяжки.

Обработка отверстий осуществляется и расточными резцами, у которых на зубьях имеется вершина (как и у всех стандартных инструментов) – точка пересечения главной и вспомогательной режущих кромок – наиболее слабая, изнашиваемая и неблагоприятная часть для формирования качественного поверхностного слоя детали. Для устранения указанного недостатка разработана конструкция сборной резцовой развёрткой с безвершинными зубьями [7-8].

В инструменте отсутствует вершина у зубьев-резцов, режущая кромка выполнена по дуге окружности с наклоном плоскости главной режущей кромки относительно плоскости, перпендикулярной к оси развёртки. Зубья-резцы развёртки расположены с постоянным смещением вдоль оси так, что адекватные точки зубьев-резцов располагаются на винтовой линии. В результате чего уменьшаются силовое и термическое напряжения на режущей кромке, уменьшается износ и повышается стойкость, улучшается качество обработанной поверхности по ряду параметров, в том числе уменьшается шероховатость за счёт изменения условий и кинематики стружкообразования.

Таким образом, разработаны и апробированы новые металлорежущие инструменты для обработки отверстий, которые изменяют напряжённо-деформируемое состояние технологической системы, уменьшают колебания и вибрации, трение, износ, следовательно, повышается стойкость, улучшается качество обработанной поверхности.

Литература:

1. Предварительный патент Республики Казахстан № 19559 на изобретение. Двухвершинное спиральное сверло без поперечной кромки с направляющими ленточками / Мусина Ж.К., Дудак Н.С.; опубл. 16.06.2008, Бюл. № 6. – 6 с.: ил.

2. Предварительный патент Республики Казахстан № 19687 на изобретение. Двухвершинное перовое сверло без поперечной кромки / Мусина Ж.К., Дудак Н.С.; опубл. 15.07.2008, Бюл. № 7. – 8 с.: ил.

3. Инновационный патент Республики Казахстан № 20786 на изобретение. Спиральное сверло «Зигзаг» без поперечной кромки с наклоном главных режущих кромок и поднутрением // Дудак Н.С.; опубл. 25.07.2008, Бюл. № 2. – 9 с.: ил.

4. Предварительный патент Республики Казахстан № 20384 на изобретение. Зенкер-протяжка для обработки цилиндрических отверстий /Итыбаева Г.Т., Дудак Н.С.; опубл. 25.09.2008, Бюл. № 12. – 14с: ил.

5. Заключение о выдаче предварительного патента на изобретение №3066/02 от 03.02.2009г. по заявке № 2006/0747.1 от 30.06.2006г. Развёртка-протяжка для обработки цилиндрических отверстий. /Касенов А.Ж., Дудак Н.С.

6. Предварительный патент Республики Казахстан № 16167 на изобретение. Протяжка для обработки цилиндрических отверстий среднего и большого диаметров / Дудак Н.С., Шерниязов М.А.; опубл. 15.09.2005, Бюл. № 9. – 10 с.: ил.

7. Таскарина А.Ж., Дудак Н.С., Касенов А.Ж. Резцовая сборная развертка с безвершинными зубьями // Научный журнал МОН «Поиск». 2012. – № 1(2). – С. 274-279.

8. Н.С. Дудак, Г.Т. Итыбаева, Ж.К. Мусина, А.Ж. Касенов, А.Ж. Таскарина. Конструкции резцовых сборных развёрток с безвершинными зубьями // Научный журнал Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова. Вестник ПГУ. 2012. – № 1-2. – С. 30-37.