Особенности образования и способы уменьшения уводов при глубоком сверлении отверстий диаметром 7–30 мм в валах и плитах без вращения и с вращением инструмента

УДК 621.952.8

Особенности образования

и способы уменьшения уводов

при глубоком сверлении отверстий

диаметром 7-30 мм в валах и плитах без вращения

и с вращением инструмента

Ю. И. Кижняев, Б. А. Немцев, П. Д. Яковлев

В связи с повышением требований к прямолинейности оси глубоких отверстий в деталях-валах типа «труба» и тенденцией увеличения их длины возникла потребность в разработке способов уменьшения уводов оси отверстия при глубоком сверлении. Особое значение эта задача приобретает при изготовлении труб с глубокими отверстиями диаметром 7-30 мм, у которых отношение длины к диаметру отверстия больше 100 (до 300), а по прогнозу должно быть увеличено до 400. Основная проблема изготовления таких деталей (особенно с отверстиями диаметром 7-20 мм) связана с тем, что ось отверстия формируется в процессе глубокого сверления и по известным причинам не исправляется при чистовой обработке.

Опыт изготовления рассматриваемых деталей показывает, что не удается стабильно обеспечить допустимый увод оси отверстия (далее увод) даже при сверлении сравнительно небольших партий деталей (до 10 шт.). В ряде случаев разброс значений увода составляет от 5 до 10 мм (при сверлении на проход с одной стороны), а отклонения от прямолинейности оси (искривление) — от 2,5 до 4 мм. Указанные дефекты значительно превышают допустимые значения. Устранение увода на концах трубы достигается обтачиванием заготовок в центрах за несколько рабочих ходов. Устранить искривление оси можно только правкой заготовки. Все это в значительной степени усложняет технологию изготовления труб и повышает их стоимость. Освоение технологии обработки сверхглубоких отверстий потребовало проведения специальных исследований особенностей образования увода в целях проверки и реализации известных рекомендаций по уменьшению уводов.

В последние годы возросла потребность сверления глубоких отверстий малых диаметров в деталях типа «плита», имеющих по

длине ряд отверстий с параллельными осями. Обработка отверстий в таких деталях возможна только вращающимся инструментом и, как известно, сопровождается образованием уводов, существенно превышающих уводы при сверлении с вращением заготовки. В связи с этим в опытной партии деталей «плита» длиной 1000 мм сверление производилось с двух сторон, что приводило к образованию дефекта в виде уступа (до 0,5 мм) в месте стыка. Переустановка заготовки существенно увеличивала трудоемкость операции. Все это потребовало проведения исследований, направленных на разработку способов уменьшения увода при сверлении вращающимся инструментом.

Описание применяемой технологии

глубокого сверления

Освоение в нашей лаборатории обработки отверстий в деталях «труба» стало возможным благодаря применению глубокого сверления с наружным подводом СОЖ, оснащению оборудования насосными агрегатами для подвода СОЖ под давлением до 12 МПа, созданию и отработки специальной технологической оснастки и модернизации приводов подач станков [1, 2]. Для сверления отверстий диаметром 7-12 мм используется специальная шпиндельная бабка с бесступенчатым регулированием частоты вращения (до 5000 об/мин).

Отметим, что по нашим эскизам заготовки из стали типа 38ХН3МА (32-45 НКСэ) проходят предварительную обработку в целях обеспечения максимально возможной прямолинейности оси и точности базирования в люнетах, что позволяет работать на оптимальных скоростях резания. На заготовках со стороны сверления предусмотрен конус для центрирования заготовки в маслоприемнике, что способствует повышению точности обра-

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

МЕТАППИЦ!

ботки заправочного отверстия. При подготовке к операции предъявляются повышенные требования к точности наладки технологической системы. Сверление осуществляется инструментами одностороннего резания, оснащенными твердосплавными режущими и направляющим элементами [2, 5]. В зависимости от диаметра и глубины сверления, определяющих жесткость инструмента, свойств материала детали и других условий обработки выбирают подачу и частоту вращения заготовки. Режим резания характеризуется малыми значениями подачи (0,01-0,08 мм/об для диаметров 7-30 мм), сравнительно большими значениями частоты вращения (40001200 об/мин). Контроль увода и искривления оси осуществляется оптическим прибором ППС-11.

Для сверления отверстий в деталях «плита» на станке для глубокого сверления модели РТ-175, позволяющем сверлить с вращением инструмента, разработано приспособление для установки заготовки в центрах, предварительно обработанных на торцах. При этом центр со стороны сверления установлен в мас-лоприемнике и имеет точное отверстие для направления сверлильной головки. Противоположный центр устанавливается в 4-кулач-ковом патроне и имеет отверстие для выхода головки. Регулированием положения этого центра можно обеспечить поворот оси центров приспособления относительно направления подачи (оси инструмента). Станки оснащены бесступенчатым приводом подачи, что в сочетании с бесступенчатым регулированием частоты вращения заготовки расширяет возможности управления процессом сверления.

Факторы, влияющие на увод

Известно [1-4 и др.], что на увод влияет множество факторов, среди которых выделим основные: диаметр d0 и глубину Ь0 сверления; погрешность направления сверлильной головки при заправке р0; подачу £0, мм/об, сообщаемую инструменту; механические характеристики материала деталей (твердость стали НВ); износ лезвия по задней поверхности Нз и износ направляющих сверлильной головки; скорость резания v0 (частоту вращения заготовки); вылет стебля из опоры в маслоприемнике в начале сверления 1м. Влияние этих параметров проявляется по-разному. В частности, увод возрастает с увеличением d0, Ь0, р0, £0, Н3, но уменьшается с увеличением v0 [3] и 1м. В работе [4] показано, что при сверлении отверстий в заготовках

валов на изменение увода оказывают влияние колебания твердости по длине и поперечному сечению заготовки. Входной контроль заготовок указывает на значительные колебания твердости (± 30 НВ), что существенно сказывается на обрабатываемости резанием, вызывая колебания силы резания. Износ лезвия в процессе сверления сопровождается увеличением силы резания, изменением соотношения ее составляющих, причем осевая составляющая возрастает более интенсивно. При износе лезвия возрастает и крутящий момент Мк, действующий на инструмент и снижающий продольную устойчивость инструмента. Действие этих факторов при сверлении отверстий малых диаметров инструментом большой длины и сравнительно невысокой жесткости на изгиб и кручение имеет существенное значение в образовании увода. В таких условиях при достижении некоторой глубины сверления (вылета стебля из опоры в маслоприем-нике) возможна потеря продольной устойчивости инструмента. Для определения предельного (критического по устойчивости) вылета стебля Ькр при совместном действии осевой силы Рх и крутящего момента Мк использована формула

Ькр = 2пЕ1 / [ц

где Е1 — жесткость на изгиб поперечного сечения стебля; ц — коэффициент, зависящий от типа опор на концах стержня (ц = 0,7 при заделке стебля в маслоприемнике и шарнир-но-подвижной опоре головки на стенку отверстия).

Расчеты Ькр выполнены для диапазона диаметров 7-30 мм при применяемых на практике диаметральных размерах стеблей и режимах резания. Установлено, что при d0 = 7 мм Ькр = 1,7 м, при d0 = 12 мм Ькр = 2,5 м, а при d0 = 30 мм Ькр = 5 м, т. е. по продольной устойчивости возможна обработка отверстий с относительными длинами 250, 210 и 170 соответственно указанным диаметрам. Однако на практике достижимая глубина сверления отверстий малого диаметра оказывается больше расчетной, что объясняется гидродинамическим действием высокоскоростного потока СОЖ в кольцевом зазоре для подвода, имеющим малое значение. Вместе с тем в зоне достижения максимального увода смещение центра головки приводит к смещению линии действия осевой силы относительно концевой опоры, т. е. к созданию изгибающего (опрокидывающего) момента. К тому же при износе лезвия возрастают осевая сила и крутящий момент, ограничивая вылет стебля Ькр. Од-

нако при малом зазоре между стенкой отверстия и стеблем потеря устойчивости приводит к контакту стебля со стенкой отверстия, т. е. к появлению дополнительной опоры, что увеличивает его продольную устойчивость. Надо полагать, что при дальнейшем увеличении глубины количество мест контакта будет увеличиваться, обеспечивая продолжение сверления. Рассмотренные особенности подтверждаются на практике реализацией процессов при сверлении отверстий диаметром 12 мм, длиной 3,7 м (Ь0 / ё.0 = 300). Вместе с тем ограниченная продольная устойчивость инструмента малого диаметра может вызывать резкое увеличение увода в конце сверления, что в ряде случаев наблюдалось на практике.

Особое влияние оказывает погрешность начального направления сверлильной головки р0, обусловленная неточностью изготовления и наладки элементов технологической системы, обеспечивающих базирование заготовки и инструмента. Эта погрешность вызывает смещение центра и поворот оси сверлильной головки при заправке через кондукторную втулку, что приводит к образованию первичной огранки и начальному уводу [2].

На основе обобщения данных теоретических и экспериментальных исследований влияния указанных факторов на увод составлена следующая зависимость для количественной оценки увода Д:

'х

Ду = 6,5^'284'7Я0Д5р0'87 НВ'45;

х^'3/^0'42 4'2).

Оценка влияния отдельных факторов на увод позволяет сделать следующие выводы.

• Наибольшее влияние на увод оказывают глубина сверления, погрешность направления головки при заправке, износ лезвия и расстояние от торца заготовки до опоры стебля в маслоприемнике. Увеличение первых трех параметров приводит к увеличению увода, а последнего — к его уменьшению. Например, при увеличении Ь0 от 2,3 до 3,7 м увод возрастает от 1 до 2,3 мм (при ё.0 = 12 мм, £0 = = 0,15 мм/об, р0 = 0,02 мм, НВ = 240 кгс/мм2, Нз = 0,2 мм, v0 = 30 м/мин, 1м = 0,4 м); при Ь0 = 3,7 м увеличение р0 от 0,02 до 0,06 мм сопровождается увеличением увода с 2,3 до 6 мм (при тех же значениях остальных параметров), а увеличение износа лезвия от 0,2 до 0,4 мм приводит к росту увода с 2,3 до 5,6 мм (при р0 = 0,02 мм); при увеличении 1м от 0,4 до 0,8 мм увод уменьшается с 2,3 до 1,0 мм. Влияние параметра 1м объясняется тем, что при наличии одинакового смещения

опоры стебля в маслоприемнике относительно оси кондукторной втулки угол поворота оси головки будет увеличиваться с уменьшением вылета стебля из опоры.

• Увеличение подачи от 0,02 до 0,06 мм/об (возможности увеличения подачи существенно ограничены) приводит к увеличению увода с 2,3 до 2,71 мм, а увеличение скорости резания с 30 до 70 м/мин — к его уменьшению (при £0 = 0,02 мм/об) с 2,3 до 1,6 мм; указанному диапазону скорости соответствует частота вращения 800-1860 об/мин.

• Влияние твердости стали сравнительно невелико: при изменении НВ от 240 до 300 кгс/мм2 увод возрастает с 2,3 до 2,54 мм.

Механизм образования увода

В основу механизма образования увода [2, гл. 7; исследования выполнены доцентом БГТУ А. А. Шаманиным] положены два условия: образование начального (элементарного) увода и его постепенное увеличение с нарастающей интенсивностью в результате кинематического возмущения инструмента при базировании направляющих на поверхность отверстия, ось которого смещена относительно оси вращения заготовки. Вследствие радиального биения опоры (стенки отверстия) возникают вынужденные поперечные (изгиб-ные) колебания упругой системы «головка— стебель». Наличие трех точек контакта головки (калибрующая кромка лезвия и две точки на опорной и упорной направляющих) со стенкой отверстия, а также действие силы резания в сторону направляющих, имеющих длину, превышающую диаметр отверстия, препятствуют угловым колебаниям головки, но не по всем направлениям. Проведенные экспериментальные исследования по изучению поведения головки в условиях радиального биения поверхности отверстия показали, что при нахождении центра отверстия в плоскости лезвия на максимальном удалении от калибрующей кромки ось головки поворачивается в направлении, при котором задний конец упорной направляющей отходит от поверхности отверстия. Подобный разворот головки может вызывать врезание заднего участка калибрующей кромки в поверхность отверстия. При смещении в направлении, противоположном предыдущему, разворот головки происходит в направлении, при котором передний участок калибрующей кромки врезается в поверхность отверстия. При этом разворот головки в указанном направлении происходит под действием силы упругости

н

№ 3(69)/2012

стебля, имеющего при малом вылете из опоры в маслоприемнике сравнительно большую жесткость на изгиб. Отметим, что радиальная составляющая силы резания не может препятствовать такому развороту, поскольку мала по значению и приложена на малом вылете относительно переднего конца направляющих. К тому же осевая составляющая силы резания значительно больше радиальной и создает изгибающий момент в направлении разворота. Отметим также, что ширина калибрующей кромки мала (не более 0,2 мм), а длина — от 3 до 5 мм. При расположении центра отверстия в плоскости, перпендикулярной к лезвию (условно в вертикальной плоскости), тоже происходят повороты оси головки: разворот, при котором задние концы направляющих отходят от поверхности отверстия (центр отверстия ниже оси вращения); разворот, при котором возможен отход передних концов направляющих от поверхности отверстия (центр выше оси вращения). Во втором случае разворот происходит под действием силы упругости стебля и может сопровождаться врезанием лезвия в тангенциальном направлении, если главная составляющая силы резания недостаточна по значению.

Установлено также, что амплитуда угловых колебаний головки в вертикальной плоскости больше амплитуды колебаний в горизонтальной плоскости, в которой располагалось лезвие. Таким образом, рассмотренное кинематическое возмущение инструмента может вызывать постепенное увеличение увода, что обусловлено угловыми колебаниями головки. Следует отметить, что угловые колебания головки сопровождаются периодическим изменением толщины среза, относительной скорости и других параметров резания, что приводит к усилению автоколебаний инструмента, вызываемых и действующих совместно с вынужденными колебаниями, обусловленными биением поверхности отверстия.

Изменение увода по длине

при сверлении сверхглубоких отверстий

Измерения уводов в партии длинномерных заготовок деталей типа «труба» позволили выявить следующие закономерности и особенности.

1. Наличие начального увода и его постепенное увеличение, линейное на длине до 1 м, с возрастающей интенсивностью в дальнейшем, т. е. с искривлением оси отверстия.

2. Увод возрастает до максимального значения, причем положение сечения с макси-

У, мм

0,4

0,2

0

1- ¡3 к

— 2

\

200

400

600

800

Ь, мм

Рис. 1. Изменение увода У по длине обработки Ь:

1 — теоретическая кривая; 2 — экспериментальные зависимости

мальным уводом зависит от вылета стебля из опоры в маслоприемнике. При сверлении отверстий диаметром 12 мм в заготовках длиной 3,7 м максимум увода наблюдается на длине 2,4-2,7 м.

3. После достижения максимума увод уменьшается, но при достижении некоторой длины (3,0-3,2 м) возникают резонансные колебания инструмента, что приводит к резкому возрастанию увода с изменением направления смещения оси отверстия в поперечном сечении.

В качестве примера на рис. 1 приведены теоретическая и экспериментальная зависимости увода от глубины сверления = 12 мм, = 0,02 мм/об, п = 2000 об/мин). Расчеты увода выполнены по формулам, приведенным в книге [2]. Результаты расчетов и данные экспериментов подтверждают рассмотренный характер изменения увода по длине глубокого отверстия.

Способы уменьшения увода

Применительно к сверлению сверхглубоких отверстий простым и эффективным является способ, основанный на оснащении стебля дополнительной жесткой опорой и варьировании частоты вращения заготовки в ходе сверления [2, 6]. Положение опоры должно соответствовать вылету стебля, при котором наблюдается уменьшение увода после достижения максимума. Данный способ проверен экспериментально при сверлении отверстий диаметром 12 мм в заготовках из стали 30ХН2МФА длиной 1200 мм. Дополнительная опора установлена в отверстии длинной втулки, расположенной в хвостовой части маслоприемника, не имеющего опоры для стебля. Расстояние от торца сверлильной голов-

МЕТШООБРАБОТКА

У, мм

45 4,0 3,5 3,0 2,5 20 1,5 10

0,5 0

5 \

3

4

/ 1

2

6 /

-6 1 <- а- ^ >-€ >—

?-£ >-е ) с < , ч-С 5—* >—* ь—^ Ь-о

100 200 300 400 500 600 700 800 90010001100

Ь, мм

Рис. 2. Изменение увода У по длине обработки Ь при различных значениях вылета стебля I: 1, 2 — без опоры; 3-5 — I = 1000 мм

ки до опоры принималось близким к предельному вылету стебля Ьпр, при котором интенсивность изменения увода близка к нулю [2]. Расчет Ьпр произведен по формуле (7.13) [2] в зависимости от жесткости стебля Е1, его массы и частоты вращения заготовки. В рассматриваемых условиях сверления (I = 427 мм4, п = 1600 об/мин, £0 = 0,02 мм/об) Ьпр = 1000 мм. Сверление с дополнительной опорой производилось на глубину 600 мм; затем опора выходила из направляющей втулки, и сверление осуществлялось на проход без опоры. Измерения уводов по длине отверстий показали, что после достижения увода Ду = 0,3^0,4 мм на глубине 600 мм увод уменьшается до 0,150,20 мм либо остается неизменным. На рис. 2 приведена зависимость, характеризующая изменение увода по длине отверстия. В сравнении с уводом при сверлении на проход без опоры достигнуто значительное уменьшение увода; уменьшилось и искривление оси.

Известно, что при глубоком сверлении вращающимся инструментом увод существенно возрастает, поскольку направленность оси отверстия определяется направлением оси головки при ее развороте под действием силы резания. Установлено, что при сверлении однолезвийной головкой указанный разворот происходит в плоскости, близко расположенной к плоскости, перпендикулярной к лезвию (условно вертикальной). В этой плоскости наблюдается наибольшая интенсивность увеличения увода, что подтверждается графиком на рис. 3, где показано изменение увода в двух взаимно перпендикулярных на-

У

0 9

я

2 отв. У; X, мм

"X

1000

У

У

а

1,5

1,0

0,5

Сторона Сторона А Б

/

У А/ \ У 7 о

А А \ V / Б

у / X X

/ Л ч

100 200 300 400 500 400 300 200 100 г, мм

Рис. 3. Изменение проекций увода У, X по длине обработки Z

правлениях (по осям X и У) при сверлении с двух сторон отверстий диаметром 9 мм в плитах из сплава Д16 длиной 1000 мм. Сверление с одной стороны в плитах длиной 600 мм производилось при установке заготовки по оси центров и со смещением положения заготовки относительно оси центров станка в вертикальной плоскости, в которой обнаружена максимальная интенсивность увода. Регулирование положения заготовки осуществлялось смещением вверх на 1,5 мм противоположного началу обработки конца. Эффективность данного способа уменьшения увода подтверждается графиком на рис. 4.

У

0 9

2 отв.

л

X

600

"С7

У; X, мм

1,0

0,5

У

X

100

200

300

400

500 600 г, мм

Рис. 4. Изменение проекций увода У, X по длине обработки Z при коррекции положения заготовки

40

№ 3(69)/2012

Отметим, что способ смещения конца заготовки регулированием кулачков патрона используется нами и при сверлении сверхглубоких отверстий с вращением заготовки. Возникающие при этом вынужденные колебания заготовки с заданной (другой) частотой позволяют изменить направление увода в сторону уменьшения и исключить брак детали по уводу и искривлению оси отверстия.

Выводы

Результаты исследований и практическая реализация вытекающих из них мероприятий по уменьшению увода и искривления оси отверстия позволяют надеяться на успешное решение новых задач промышленности, наметить пути дальнейшего совершенствования средств технологического оснащения, способов и технологии обработки глубоких отверстий, снизить трудоемкость и повысить качество изделий новой техники. Накопленный в лаборатории кафедры теоретический и практический

опыт по изучению образования и уменьшению уводов указывает на возможность создания технической системы для управления процессом образования увода, в том числе при глубоком сверлении отверстий малых диаметров.

Литература

1. Минков М. А. Технология изготовления глубоких точных отверстий. М.; Л: Машиностроение, 1965. 176 с.

2. Обработка глубоких отверстий /Н. Ф. Уткин, Ю. И. Кижняев, Б. А. Немцев и др.; под общ. ред. Н. Ф. Уткина. Л.: Машиностроение, 1988. 269 с.

3. Подураев В. Н., Суворов А. А., Барзов А. А. О влиянии скорости резания на уводы при глубоком сверлении // Изв. вузов. Машиностроение. 1976. № 1. С. 182-184.

4. Троицкий Н. Д. Глубокое сверление. Л.: Машиностроение, 1971. 176 с.

5. Кижняев Ю. И., Немцев Б. А., Плужников С. К.

Прогрессивные инструменты для глубокого сверления и результаты их применения в производстве деталей валов // Металлообработка. 2006. № 1, С. 8-12.

6. А. с. № 1710214. Способ обработки глубоких отверстий / А. А. Шаманин, П. Д. Яковлев и др. Опубл. в БИ. № 5. 1992.

БАЛТИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Ф. УСТИНОВА «ВОЕНМЕХ»

выполняет следующие работы по повышению технико-экономического уровня обработки деталей с глубокими отверстиями

• Исследование процессов сверления и растачивания глубоких отверстий диаметром 8-200 мм, длиной до 300 диаметров в деталях из различных материалов вращающимся и невращающимся инструментом, отработка режимов резания, геометрических параметров заточки инструмента.

• Разработка конструкторской документации на инструмент и оснастку для глубокого сверления и растачивания, чистовой и отделочной обработки отверстий; изготовление инструмента и оснастки, адаптированных к условиям заказчика.

• Модернизация универсального и специального оборудования для обработки глубоких отверстий с разработкой конструкторской документации на

детали, узлы и агрегаты, их изготовление, монтаж и отладка; внедрение процессов обработки с обучением персонала. Реализация подобных компоновок обеспечивает снижение затрат в 2-3 раза по сравнению с затратами на приобретение специального оборудования.

В качестве примера на рисунке показана компоновка токарно-винторез-ного станка модели 1М63Н-5, оснащенного для сверления и растачивания глубоких отверстий.

• Разработка технологических процессов обработки глубоких отверстий применительно к условиям конкретных предприятий.

• Обработка глубоких отверстий при изготовлении опытной партии деталей.

Использование наших технологий гарантирует решение ваших задач с высокими технико-экономическими показателями.

С нашими разработками можно ознакомиться в публикациях журнала «Металлообработка» [изд-во «Политехника»: № 1 (31) 2006 г., № 5 (59) 2010 г., № 6 (66) 2011 г.]

Контакты:

Немцев Борис Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, тел: +7-921-936-34-06; e-mail: b.nemtsev1505@yandex.ru

Компоновка модернизированного станка 1М63Н-5 для сверления чернового и чистового растачивания и зенкерования глубоких отверстий: 1, 5 — баки; 2 — короб; 3 — манометрический блок; 4 — труба; 6 — тележка; 7 — стружкоотвод; 8 — тяга; 9 — приемный фильтр; 10 — вентиль; 11 — кожух патрона; 12 — патрон (горшок); 13 — заготовка; 14 — люнет; 15 — кожух маслоприемника; 16 — передняя стойка; 17 — мас-лоприемник; 18 — коллектор; 19 — пульт управления; 20 — обратный клапан; 21 — стебель; 22 — задняя стойка; 23 — решетка; 24 — предохранительный клапан; 25 — насосный блок