Способ механической обработки глубоких отверстий
DEEP HOLE MACHINING METHOD

Изобретение относится к станкостроению, в частности к способам механической обработки глубоких отверстий. Может применяться в металлорежущих станках для осуществления технологии механической обработки глубоких отверстий (ГО) в длинномерных трубных заготовках при их растачивании, прошивании, дорновании и внутреннем шлифовании отверстий, например, при обеспечении требований к точности отверстий.
Известен способ обработки глубоких отверстий методом деформирующего прошивания, обеспечивающий повышение параметров точности и шероховатости обработанных отверстий за счет без зазорного базирования дорнующих элементов прошивки, закрепленных на наружной поверхности расточной пиноли (Патент 2552616 РФ, МПК B23B41/00, B23D79/00, B23B1/00, B23C3/00, 2015г.) и (Санинский, В.А. Разработка и применение фрезерно-расточных станков с механизмом планетарного движения режущего инструмента: монография / В.А. Санинский; ВПИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2016. - 110 с.).
Недостаток способа в ограниченной недостаточной стойкости следующих за ними, согласно техпроцессу совмещенной обработки ГО, дорнующих зубьев прошивки. Из-за этого ограниченно количество дросселирующих элементов на прошивке, работающих без нужного давления в системе смазывающих технических средств (СОТС), т. к. при большом количестве рабочих ходов возможно отсутствие смазки и давления на последних по ходу прошивки дорнующих зубьях. Это приводит к повышенному износу дорнующих элементов или к шелушению поверхности ГО из-за превышения критического числа зубьев или рабочих ходов дорна.
Известен способ протягивания глубоких прерывистых отверстий опор коренных подшипников с использованием координатных протяжек (Санинский, В.А. Обоснование расширения возможностей режуще-деформирующего прошивания глубоких отверстий при ремонте машин сельскохозяйственного назначения / В.А. Санинский, А.В. Грибенченко, Е.Н. Смирнова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2019. - № 1 (53). – С. 284-293). Подача смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) на протяжку может осуществляется на входе и выходе протяжки их каждого из прерывистых отверстий, что позволяет организовать ее охлаждение и смазку при обработке всего глубокого отверстия.
Однако при обработке глубоких отверстий в длинномерных трубах доступ к дорнующим зубьям, их смазка и охлаждение затрудняется, износ повышается, что приводит к уменьшению отверстия на выходе.
Известен способ режуще-деформирующей обработки ГО на основе режуще-деформирующего прошивания (РДП) в условиях дросселирования смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) по канавкам регулярного микрорельефа (РМР), который может представлять одно- или многозаходную криволинейную поверхность, изменяющуюся по синусоидальному, косинусоидальному или другому закону. Принцип работы состоит в выдавливании СОЖ, предварительно залитой во внутреннюю полость торцем инструмента: процесс дросселирования СОЖ по канавкам РМР инструмента обеспечивается возникающим избыточным давлением (Бакаев А. А. Скоромнов В. М. Расширение технологических возможностей процесса прошивания за счет регуляризации рабочих поверхностей инструмента. Технология машиностроения. 2013. - № 12, С 13-15).
Однако способ применим только при условии, что натяг пластического деформирования будет меньше высоты канавок РМР профиля на поверхности рабочего инструмента, так как в противном случае происходит полное перекрывание РМР профиля пластически деформированным материалом и истечение СОЖ затрудняется.
Кроме того, недостатками схемы с последовательным подводом СОЖ к зубьям являются необходимость заполнения ею всей полости ГО и ограничение скорости дорнования предельно допустимым давлением в жидкости, которое соответствует максимально возможный расход СОЖ при заданной геометрии канавок на зубьях дорна.
Наиболее близким является способ дорнования отверстий деталей, включающий проталкивание через обрабатываемое отверстие дорна с заборным и обратным конусами и калибрующей поверхностью в виде выступов и углублений для смазочно-охлаждающей жидкости, на которой на расстоянии от ее границы с заборным конусом вдоль оси дорна расположены выходы радиальных каналов, соединенных с выполненным в дорне с центральным осевым каналом для подачи смазочно-охлаждающей жидкости в процессе дорнования (Авторское свидетельство SU 1789329, МПК В23В39/02, 1993г.).
В случае применения в многозубом дорне попадание смазочно-охлаждающей жидкости на промежуточные и задние зубья прошивки затруднено и, соответственно, недостаточно будет обеспечено снижение их износа и, как следствие, снижение точности обработки.
Задачей предложенного технического решения является разработка способа режуще-деформирующего прошивания, уменьшающего касание и трение в местах контакта рабочих поверхностей дорнующих зубьев с обрабатываемой поверхностью глубокого отверстия.
Технический результат - повышение стойкости инструмента за счет снижения износа прошивок и улучшение процесса дорнования глубоких отверстий в длинномерных трубных заготовках.
Технический результат достигается в способе механической обработки глубоких отверстий, включающем дорнующую прошивку заготовки дорнующим инструментом в условиях граничной смазки посредством дросселирования смазочно-охлаждающей жидкости, подаваемой в зону обработки из тела инструмента по осевому каналу через выходы радиальных каналов, при этом дорнующую прошивку осуществляют многозубным дорнующим инструментом, а подача смазочно-охлаждающей жидкости осуществляется между зубьями дорнующего инструмента и продавливается как по направлению движения дорна, так и в направлении, противоположном его движению через щелевые канавки, выполненные на рабочей поверхности дорнующего зуба, а процесс режуще-деформирующего дорнования осуществляется со скоростью движения дорна относительно стенки трубы определенной из зависимости:
,
0
где  – высота щелевой канавки (м),  – ширина щелевой канавки (м),  – длина потока в щели (м), L – длина обрабатываемого отверстия (м),  – динамическая вязкость СОЖ, (Па*с), N – число щелей в дорнующем зубе,  (Па) – перепад давления при продавливании СОЖ через щелевые канавки зуба в соответствии с зависимостью:
,
где  – число дорнующих зубьев,  – давление СОЖ в полости трубы,  – давление среды.
Способ механической обработки глубоких отверстий характеризующийся тем, что подача смазочно-охлаждающей жидкости осуществляется между первым и вторым зубьями дорнующего инструмента.
Способ механической обработки глубоких отверстий характеризующийся тем, что подача смазочно-охлаждающей жидкости осуществляется после каждого нечетного зуба дорнующего инструмента.
Способ механической обработки глубоких отверстий характеризующийся тем, что подача смазочно-охлаждающей жидкости осуществляется по каналам независимо.
Сущность изобретения заключается в создании в зоне обработки "демпфирующих подушечек" при продавливании смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) через щелевые канавки прямоугольного сечения, выполненные на рабочей поверхности дорнующих зубьев. При этом подаваемая в зону обработки СОЖ позволяет улучшить процесс дорнования и снижает износ прошивок для обработки глубоких отверстий (ГО).
Для обеспечения равномерного дорнования и поверхностно-пластической деформации всей обрабатываемой каждым зубом поверхности наиболее предпочтительным является расположение щелевых канавок под углом к оси дорна (дорнующего инструмента) или по винтовой линии, что позволяет исключить появление необработанных участков на поверхности ГО, оставляемых последующими дорнующими зубьями, если размеры на проекции их профилей на плоскость, перпендикулярную оси прошивки, совпадают.
Подача СОЖ между первым и вторым зубьями дорнующего инструмента обеспечивает продавливание через щелевые канавки первого зуба в направлении движения дорна и через щелевые канавки второго и последующих зубьев в направлении, противоположенном движению дорна. При таком подводе СОЖ обеспечивается более равномерное давление между дорнующими зубьями и лучшее ее продавливание к последующим зубьям. Кроме этого, давление, под которым подводится СОЖ, не связано с усилием на толкателе и со скоростью перемещения дорнующего инструмента, оно не лимитирует скорость перемещения дорна, и его можно регулировать пропорциональными регуляторами, установленными, например, на подводящих СОЖ каналах или в теле прошивки, тем самым меняя желательным образом расход СОЖ.
Способ обеспечивает условия граничной смазки посредством дросселирования смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), подаваемой в зону обработки из тела инструмента и продавливающейся через щелевые канавки дорнующих зубьев выполненные на рабочей поверхности дорнующих зубьев. При этом подача смазочно-охлаждающей жидкости осуществляется от осевого канала по независимым радиальным каналам, выходящим между нечетным и четным дорнующими зубями дорнующего инструмента, а процесс режуще-деформирующего дорнования, регулируется в зависимости от режима расхода СОЖ через щелевые канавки – скорость движения дорна относительно стенки трубы в процессе режуще-деформирующего дорнования определяется из зависимости:
,
0
где  – высота щелевой канавки (м),  – ширина щелевой канавки (м),  – длина потока в щели (м), L – длина обрабатываемого отверстия (м),  – динамическая вязкость СОЖ, (Па*с), N – число щелей в дорнующем зубе,  (Па) – перепад давления при продавливании СОЖ через щелевые канавки зуба в соответствии с зависимостью:
,
где  – число дорнующих зубьев,  – давление СОЖ в полости трубы,  – давление среды.
При этом регулировка величины перепада давления при продавливании СОЖ через щелевые канавки зуба в зависимости от режимов резания, позволяет снизить процессы образования нароста на дорнующих зубьях и задиров на обработанной поверхности.
Посредством изменения параметров щелевых канавок первого и последующих зубьев, можно обеспечить различный расход СОЖ через передний и последующие зубья.
Подача СОЖ после каждого нечетного зуба дорнующего инструмента позволяет поддерживать одинаковое для всех зубьев давление, под которым продавливается СОЖ через выполненные на них щелевые канавки в направлении движения дорна и в направлении, противоположенном движению дорна. Такой подвод СОЖ является наиболее эффективным, он также не связан с усилием на толкателе и со скоростью перемещения дорнующего инструмента, то есть не лимитируется скоростью перемещения дорна.
Подача по независимым радиальным каналам позволяет регулировать расход СОЖ в зависимости от параметров щелевых канавок для перетекания СОЖ и давления, направляемого для ее осевой подачи прошивки. Возможность регуляции расхода СОЖ через режуще-деформирующие зубья многозубных прошивок позволяет правильно назначать режимы обработки и, тем самым, повысить технико-экономическую эффективность механической обработки глубоких отверстий длинномерных трубных заготовок, то есть обеспечивает повышение стойкости инструмента за счет снижения износа прошивок и улучшение процесса дорнования глубоких отверстий в длинномерных трубных заготовках.
На чертеже представлена схема подачи смазочно-охлаждающей жидкости после каждого нечетного зуба дорнующего инструмента.
СОЖ подводится в зону обработки через отверстия - выходы 1 радиальных каналов 2, выполненные в теле дорна 3 после каждого нечетного зуба по порядку следования дорна. После каждого четного зуба по порядку следования дорна располагаются отверстия в сливные каналы 4 для отвода СОЖ. Давление, под которым подводится СОЖ можно регулировать с помощью дроссельного устройства 5, установленного на подводящем СОЖ осевом канале 6, от которого отходят радиальные каналы 2, снабженные дроссельными устройствами (не показаны), обеспечивающими независимую подачу через них СОЖ. На зубьях инструмента выполнены щелевые канавки 7, через которые продавливается СОЖ.
Изменяя параметры щелевых канавок на дорнующих зубьях, можно управлять величиной расхода СОЖ и распределением перепадов давления между зубьями. Эти же факторы будут влиять на возможную скорость дорнования, так как значение давления СОЖ не может превысить некоторую предельную величину, определяемую максимальным усилием толкателя и допустимой деформацией обрабатываемой детали и деталей технологической установки под действием указанного давления.
Пример.
Обработка трубной заготовки с толщиной стенки 4,5 мм с достижением диаметра 60Н7 и параметра шероховатости Ra 0,4 ГО в условиях применения процесса совмещения вихрефрезерования с дорнованием многозубым дорном при соотношении диаметра D и толщины S стенки трубы D/S>0,05.
Трубные заготовки изготавливают на прошивном стане из горячекатаной круглой заготовки, поставляемой по ТУ 14-3-1941-1994, ТУ 14-3Р-134-2014.
Пример расчета осевой силы при прошивании отверстия 60Н7(+0,03) Ra0,63 с наружным диаметром втулки D=90 мм, l=100 мм, выполненной из стали 45. Прошивание осуществляется 4-х зубым дорном zв=4, позволяющим получать Ra 2,5 мкм.
н
н
н
Материал дорнующего блока ВК8, скорость выглаживания не более 9 м/мин, охлаждение - сульфафрезол. Размеры в обрабатываемой заготовке пустотелого дорнующего блока: наружный диаметр 60,8+1.5, с посадочным отверстием 30,4 - 1,2 мм, с шагом между зубьев l=10 мм, тогда общая длина L = l·4 = 40 мм.
Определены натяг каждого выглаживающего зуба и окончательно получены шлифованием заготовок с диаметра 60,8+1.5 до нужных диаметров дорнующих зубьев в назначенной заготовке в соответствии со следующими расчетными значениями натягов:
60
При натяге i = 1,4 мм, когда в работе будет находиться 12 дорнующих зубьев, т. е дорн будет иметь три блока по 4 зуба в каждом, величина осевой силы не превысит предел F= P ∑ B60
60
P ∑ B60=121480 х3= 364440 (Н).
сож
Тогда, чтобы СОЖ не препятствовала движению дорна, необходимо обеспечить ее утечку через щели с определенным давлением (p).
60
Зная величину силы P ∑ B60=121480 х3= 364440 (Н), необходимой для осуществления дорнования ГО диаметром 60 Н7, имеющего перед обработкой припуск 0,9=1,4; мм, необходимо установить давление, которое необходимо создать для перетекания СОЖ из обрабатываемой полости ГО в отработанную.
60
Параметры щелевой канавки: высота 0,0005 м, ширина 0,007 м, скорость движения дорна относительно стенки трубы 1 м/мин, длина потока в щели 1 мм х 12 = 12 мм, используемая СОЖ – масло машинное, динамическая вязкость СОЖ 12,6 МПА·с; количество щелей в дорнующем зубе 4 (или подбирается так, чтобы было кратно 4-м), давление СОЖ в полости трубы P ∑ B60 =364440 (Н) (оно может быть заменено давление СОЖ в 121,5 МПа), давление среды (атмосферное) Р=0,1 МПа.
Скорость перемещения дорна (резания) может быть выражена через параметры давления и геометрические параметры и  дросселирующих элементов щелей и обрабатываемого отверстия через следующую зависимость
,
0
0 =
где  – скорость движения дорна относительно стенки трубы,  – высота щели (0,0005 м),  – ширина щели (0,007 м),  – длина потока в щели (1 мм х 12 = 12 мм),  – динамическая вязкость СОЖ (12,6 МПА·с),  – число щелей в дорнующем зубе (4 или кратное 4),  – перепад давлений при продавливании СОЖ через щели зуба, L – длина обрабатываемого отверстия (L1 м.). При этом значения регулируют на величину перепада давления при продавливании СОЖ через щелевые канавки зуба в зависимости от режимов резания, что позволяет снизить процессы образования нароста на дорнующих зубьях и задиров на обработанной поверхности.
Найдем значение перепада давлений при продавливании СОЖ через щели зуба:
СОЖ
60
атм
атм
Д
Д
где Р - давление СОЖ в полости трубы P =364440 (Н) (оно может быть заменено давление СОЖ в 121,5 МПа), Р - давление среды (атмосферное) Р =0,1 МПа, N - число щелей в дорнующем зубе N=4.
Подставив численные значения получим:
.
Д
Зная перепад давлений при продавливании СОЖ через щели зуба найдём значение V:
Таким образом, требуемый расход и скорость перемещения жидкости из передней условной камеры в заднюю определяет скорость движения прошивки  в процессе режуще-деформирующего прошивания глубоких отверстий и зависит от режимов резания, геометрических параметров прошивки, от расхода СОЖ и параметров СОТС.
Таким образом, способ механической обработки глубоких отверстий, включающий дорнующую прошивку длинномерной трубной заготовки многозубным дорнующим инструментом в условиях граничной смазки посредством дросселирования смазочно-охлаждающей жидкости, подаваемой в зону обработки между зубьями дорнующего инструмента из тела инструмента по независимым каналам между первым и вторым зубьями дорнующего инструмента или после каждого нечетного зуба дорнующего инструмента, и продавливающейся через щелевые канавки дорнующих зубьев как по направлению движения дорна, так и в направлении, противоположном его движению, при скорости движения дорна относительно стенки трубы определенной из заявляемой зависимости, обеспечивает повышение стойкости инструмента за счет снижения износа прошивок и улучшение процесса дорнования глубоких отверстий в длинномерных трубных заготовках.