Повышение эффективности технологического процесса изготовления внутренних резьб в изделиях горных машин

ЕТАПЛООБРАБОТК]

УДК 621.9.015

Повышение эффективности технологического процесса изготовления внутренних резьб в изделиях горных машин

В. В. Максаров, А. И. Кексин, С. А. Ткаченко

Рассматривается вопрос повышения эффективности технологического процесса изготовления внутренних резьб в изделиях горных машин. Как показал анализ, исследователи выделяют метод нарезания резьбы метчиками как самый распространенный, наиболее эффективный и зачастую единственно возможный метод резания. Однако при нарезании внутренней резьбы метчиками зачастую приходится сталкиваться с размерной нестабильностью, которая, как правило, зависит от размерной стойкости резьбонарезного инструмента. В связи с этим для повышения размерной стойкости инструмента предлагается перед нарезанием резьбы обрабатывать метчик методом магнитно-абразивного полирования, который позволяет изменять состояние режущих кромок и рабочих поверхностей зубьев режущего инструмента, его микрогеометрические параметры, а также форму зубьев на ведущем участке метчика.

Ключевые слова: технологический процесс, нарезание резьбы метчиками, размерная нестабильность, размерная стойкость инструмента, магнитно-абразивное полирование, микрогеометрические параметры.

Введение

В настоящее время предъявляются довольно высокие требования к качеству изделий подземных горных машин и оборудования, от которого в значительной мере зависят эксплуатационные характеристики машин, их надежность и долговечность.

Столь высокие требования вызваны специфическими условиями эксплуатации подземных горных машин, характеризующимися высокой динамичностью действующих нагрузок, влажностью и запыленностью рудничной атмосферы, абразивностью разрушаемого массива (угля, породы), загрязненностью и химической активностью шахтных вод, опасностью обрушения горных пород на машину, а также различными горно-геологическими условиями [7].

К наиболее распространенным и ответственным элементам, применяемым в таких сложных условиях, относятся резьбовые соединения, удельный вес которых в горном машиностроении является массовым. Важными

достоинствами резьбовых соединений являются высокая прочность, надежность, постоянство относительного положения деталей, составляющих сборочную единицу, удобство сборки и разборки, большой ряд типоразмеров стандартных резьбовых деталей и их взаимозаменяемость [8].

Эксплуатационные свойства резьбовых соединений формируют на этапе изготовления резьб, при этом их качественные характеристики зависят от различных факторов (материала, метода механической обработки, геометрических параметров инструмента и т. д.).

Технология изготовления резьб представляет собой совокупность операций, процессов и методов, применяемых для изготовления резьбового профиля с требуемым качеством поверхностного слоя, и, как правило, классифицируется по расположению резьбовой поверхности (наружная и внутренняя). Вопросам технологии изготовления резьб были посвящены работы А. Е. Древаля, В. П. Кузнецова, А. В. Ланщикова, А. Д. Никифорова, В. В. Матвеева, В. М. Меньшакова, В. Г. Петрикова,

Технология изготовления внутренних резьб

I

Рис. 1. Технология изготовления внутренних резьб

А. Н. Прокофьева, В. А. Ставрова, А. Е. Стеш-кова, Ю. Л. Фрумина, В. Г. Якухина, А. С. Ям-никова. Исследователи утверждают, что изготовление внутренних резьб в отличие от наружных имеет существенные ограничения, обусловленные в основном худшими условиями резания и деформирования в закрытом пространстве, проблематичностью размещения в отверстии инструментов сложных конструкций и т. п. [8, 10].

Основные процессы и методы изготовления внутренних резьб представлены на рис. 1 [10].

Как правило, под технологией изготовления внутренних резьб подразумевают технологические процессы механической обработки, на которые приходится наибольший объем выполняемых операций, причем большинство из них ориентировано на процесс резания и, в частности, на метод нарезания резьбы метчиками как на самый распространенный, наиболее эффективный и зачастую единственно возможный метод резания.

Постановка проблемы и способ

ее решения

При нарезании внутренней резьбы метчиками приходится очень часто сталкиваться с размерной нестабильностью, которая проявляется в различных размерных характеристиках обработанной поверхности и самого инструмента и изменении размеров, следующих друг за другом обработанных резьбовых поверхностей. Разницу между размерами резьбовой поверхности и инструмента обычно называют разбиванием Т, а изменение размеров обработанных поверхностей с течением времени или по мере увеличения количества нарезанных резьб — рассеянием размеров в. Разбивание Т и рассеяние размеров в являются важнейшими параметрами, определяющими качество резьбового отверстия, и, как правило, зависят от размерной стойкости инструмента ^р, т. е. от времени, в течение которого инструмент может обеспечить заданные размеры.

Допуск и, шт.

Рис. 2. Первый вариант разбивания и рассеяния размеров резьб при размерной стойкости инструмента = 0:

1 — фактические средние диаметры резьбы; 2 — средние текущие размеры; 3 — размер инструмента Бп

Рис. 3. Второй вариант разбивания и рассеяния размеров резьб: 1 — фактические средние диаметры резьбы; 2 — средние текущие размеры; 3 — размер инструмента Бп

Статистические наблюдения, выполненные В. В. Матвеевым [5], показывают, что метчик, размерная стойкость которого приближается к нулю, не может обеспечить высоким качеством нарезаемые резьбовые поверхности, так как приводит к значительным количествам поломок инструмента, выкрашиванию его лезвий, появлению различного рода за-диров, потерям размеров и снижению стойкости резьбонарезного инструмента. Так, на рис. 2 показан общий вариант разбивания и рассеяния размеров резьб, при котором размерная стойкость равна нулю (на рисунке не обозначена), поскольку первые обработанные резьбовые поверхности оказываются вне поля допуска.

Нестабильность процесса нарезания резьбы заключается в том, что рассеяние 8 превышает поле допуска на размер изделия (8 > 5А), а центр группирования размеров изделий или усредненное значение разбивания Т находится и выше, и ниже нормы. Схемы раз-

бивания и рассеяния, в свою очередь, могут варьироваться.

Решить обозначенные проблемы и добиться, чтобы рассеяние укладывалось в поле допуска (8 < 5А), а разбивание Т оказалось равным оптимальной величине: Т = Топт, как представлено на рис. 3, можно путем увеличения размерной стойкости инструмента.

На размерную стойкость инструмента наибольшее влияние оказывают качество режущих кромок и рабочих поверхностей зубьев режущего инструмента, его микрогеометрические параметры (радиус скругления режущих кромок, падение обратного затылка), а также форма зубьев на ведущем участке метчика.

Известно, что основные свойства поверхностного слоя рабочих поверхностей зубьев режущего инструмента формируются на окончательной стадии его изготовления, т. е. в основном на отделочных операциях [1, 2]. К примеру, в работе [3] показана необходимость применения отделочных операций для созда-

№ 2 (92)/2016

29Ш

ния на кромках упрочняющих фасок или их скругления. И то и другое имеет существенное влияние на длительное сохранение геометрической формы кромки, повышение ее прочности и соответственно повышение стойкости инструмента.

На рис. 4 представлены графики износа лезвия с острой кромкой после заточки шлифованием и после дополнительной доводки режущей кромки.

График износа лезвия режущего инструмента характеризуется тремя этапами: I — этап начального повышенного износа, II — этап нормального износа, III — этап катастрофического износа. Если высота допустимой фаски износа равна ha, то стойкость инструмента будет соответствовать времени Т^. Этап I объясняют низкой прочностью острой режущей кромки после заточки шлифованием из-за ее дефектов (как правило, это повышенная шероховатость, порождающая микротрещины, которые в результате приводят к сколам в процессе нарезания резьбы). Естественно, что если каким-либо способом перед началом резания устранить дефекты острой кромки и тем исключить этап I, то стойкость инструмента увеличивается до значения Т2 [3]. Этот фактор относится не только к режущим кромкам, но и ко всем контактным поверхностям рабочих зубьев метчика.

Сравнительные изыскания

Анализ существующих отделочных операций режущих инструментов показал, что наиболее приемлемым и эффективным является магнитно-абразивное полирование (МАП) [6], так как позволяет воздействовать на все вышеуказанные характеристики резьбонарезного инструмента.

При МАП порошковая ферромагнитная абразивная масса, уплотненная энергией магнитного поля, осуществляет абразивное воздействие на обрабатываемую деталь [9], при этом последней придают необходимые для обработки движения: вращательное, осциллирующее и возвратно-поступательное (если это возможно).

Обработка МАП представляет собой ориентированное и избирательное абразивное

Рис. 4. График износа лезвия режущего инструмента:

I — с острой кромкой после заточки; 2 — после дополнительной доводки; I — этап начального повышенного износа;

II — этап нормального износа; III — этап катастрофического износа; ha — высота допустимой фаски износа; Т — время стойкости инструмента

микрорезание и микровыглаживание. При сравнительно больших микровыступах зерна порошка контактируют преимущественно с вершинами гребешков, являющихся концентраторами магнитных силовых линий. Каждое зерно в магнитном поле устанавливается наибольшей осью по направлению к обрабатываемой поверхности. При износе и затуплении вершин зерно переориентируется таким образом, что вновь образовавшаяся наибольшая ось направляется вдоль магнитных силовых линий. В результате поверхность детали обрабатывается острыми кромками, т. е. имеет место ориентированное абразивное резание [1, 2, 11]. Эта особенность МАП обладает огромными преимуществами перед традиционными методами отделочных операций.

Качество контактных поверхностей

зубьев метчика после МАП

В процессе нарезания резьбы резьбовой профиль формируется путем копирования на изделии формы режущего зуба, при этом важными элементами, как отмечалось выше, являются контактные поверхности зубьев рабочего участка метчика и, в частности, его режущие кромки, дефекты и шероховатость которых при нарезании резьбы автоматически переносятся с поверхностей зубьев на поверхность изделия. В связи с этим уменьшение

№ 2(92)/2016

МЕТ АЛЛ 00 БРЩТКА

Таблица 1

Продольная шероховатость кромки лезвия из быстрорежущей стали после заточки разными способами

Способ заточки Шероховатость Ra, мкм

на поверхностях лезвия на контуре кромки

Шлифование абразивным кругом 0,4-1,25 1,0-5,0

Тонкое шлифование абразивным кругом 0,35 0,70

Шлифование эльборовым кругом 0,30-0,60 0,42-2,5

Таблица 2

Шероховатость кромки после доводки лезвия

Способ доводки лезвия Шероховатость Ra, мкм

на поверхностях лезвия продольная кромка

Виброабразивная обработка твердосплавных лезвий 0,16-0,5 0,16-0,5

Магнитно-абразивная обработка стальных лезвий 0,04-0,16 0,04-0,16

шероховатости контактных поверхностей и устранение дефектов являются необходимым этапом при увеличении размерной стойкости инструмента и качества нарезаемой резьбы.

Сравнение шероховатости кромки лезвия после заточки ее различными способами (табл. 1) и (табл. 2) доводки позволяет установить, что магнитно-абразивная обработка — наиболее эффективный метод для проведения такой операции [3].

Снижение шероховатости контактных поверхностей режущих зубьев методом МАП способствует уменьшению сил трения на этих поверхностях и улучшает стружкообразова-ние. В целом рабочий участок метчика, обработанный методом МАП, нарезает резьбу с более меньшими силовыми и тепловыми на-

Nо

120

80

40

0

М, Н • м 150

- 130

- 110

90

70

/

\ N M / /

\

0,2 1,0 1,8 2,6 Rz, мкм

Рис. 5. Влияние шероховатости профиля резьбы метчика на крутящий момент и число нарезаемых отверстий

грузками, чем метчик, обработанный традиционными методами отделочных обработок.

Эксперимент по определению размерной стойкости метчиков при изменении шероховатости задних поверхностей зубьев режущих инструментов был проведен в работе [4].

На рис. 5 приведены зависимости Мкр = = f(Rz) и ^тв = f(Rz), полученные при оценке размерной стойкости резьбонарезного инструмента по количеству годных по размеру отверстий ^тв.

В результате эксперимента параметр шероховатости в пределах Я2 = 3...1 мкм был получен алмазным шлифованием путем изменения его режима, а параметр шероховатости Яг = 1.0,2 мкм — магнитно-абразивным полированием путем изменения его длительности. В первом диапазоне Я2 крутящий момент при резании снизился в 1,7 раза, стойкость метчиков повысилась в 3 раза. Во втором диапазоне Яг, полученном с помощью МАП, крутящий момент снизился лишь на 6 %, а стойкость возросла тоже в 3 раза [4].

Естественно, что снижение крутящего момента резания для метчиков является важным фактором отделочной обработки задних поверхностей зубьев метчика, но основная причина повышения стойкости заключалась в другом.

Магнитно-абразивное полирование характеризуется как одновременное проявление воздействий на поверхность детали сил магнитного поля и процессов, протекающих при взаимодействии поверхности с магнитно-абра-

зивным порошком, т. е. микрорезании, микроударов частичек, пластической деформации поверхностного слоя. Совокупность воздействий различных факторов позволяет достигать определенного упрочняющего эффекта [1, 2]. Вот именно этот упрочняющий эффект и стал причиной повышения стойкости резьбонарезного инструмента, так как он благоприятно повлиял на структуру и физико-механические характеристики приповерхностного слоя режущего инструмента. Упрочнение приповерхностного слоя для быстрорежущих сталей выражалось преимущественно в увеличении карбидной фазы, отсутствии остаточного аустенита, повышении твердости и появлении остаточных напряжений сжатия.

К примеру, алмазное шлифование по сравнению с обычным шлифованием позволяет получать поверхности с меньшей глубиной дефектного слоя, но не исключает таких дефектов, как наличие остаточного аустенита вторичной закалки. Рентгеноспектральным анализом стали Р6М5 было установлено, что после алмазного шлифования в тонких слоях содержание остаточного аустенита может достигать 30-36 %, а после магнитно-абразивного полирования — не превышает 3-4 % [4].

Микрогеометрические параметры метчика после МАП

Огромное значение в процессе нарезания резьбы имеют микрогеометрические параметры режущего инструмента (радиус скругления режущих кромок, падение обратного затылка).

Исследования, проведенные Ю. М. Бароном и С. Ю. Ивановым [4], показывают, что магнитно-абразивное полирование позволяет скруглять (до необходимых размеров) режущие кромки и осуществлять одновременно с полированием обратное затылование зубьев рабочих участков метчика. В качестве примера на рис. 6 и 7 приведены графики изменения значений р и К при полировании метчиков М16 из стали Р6М5.

Возможность формирования микрогеометрических параметров методом МАП позволяет разрабатывать различные технологии по подготовке рабочих участков метчика, одна из которых представлена в работе

р, мкм 35

30

25

20

15

30 60 90 120 150 180 210 t, сек

Рис. 6. Изменение значений радиуса скругления р режущих кромок от времени обработки t

70 60 50 40 30

5 9

4 3

2

30

60

90

120

150

180 210 t, сек

Рис. 7. Изменение значений параметра К (падение обратного затылка) от времени обработки t

[6]. Предлагаемая исследователями технология направлена на обеспечение требуемых микрогеометрических параметров заборного, калибрующего и ведущего рабочих участков. Результатами специальной подготовки рабочих участков метчика являются интенсификация процесса резания, повышение стойкости инструмента и улучшение качества резьбовой поверхности.

Форма зубьев на ведущем участке резьбонарезного инструмента

Как правило, машинные метчики имеют на рабочей части и режущие, и ведущие участки. Если режущие кромки (основные и вспомогательные) обязаны выполнять работу резания, углубляя последовательно профиль витка резьбы, то все другие кромки зуба метчика являются опорными ведущими, которые обеспечивают самоподачу метчика вследствие опоры о профиль нарезаемой резьбы. Естественно, что в идеальном случае веду-

Деталь

Рис. 8. Форма зуба метчика в процессе нарезания резьбы после шлифования: А — резьбовая канавка; ¥ — угол возможного уклона зуба

Деталь

Рис. 9. Форма зуба метчика в процессе нарезания резьбы после МАП: А — резьбовая канавка; е — угол скоса боковых передних поверхностей зуба метчика; Л — радиус скругления боковых задних кромок

щие кромки не должны производить резания, так как это будет приводить к нарушению параметра винтового движения. В связи с этим особое внимание необходимо уделить форме зубьев на ведущем участке метчика, которая, в свою очередь, определяет надежность ориентации метчика в витках резьбы изделия. В зависимости от того насколько будет надежна эта ориентация, настолько и будет точна форма нарезаемой резьбы [5].

Для решения этой проблемы В. В. Матвеев предложил путем двойного затылования формировать бочкообразную форму ведущих зубьев (рис. 8), которая позволяет исключить подрезание уже готовой резьбовой поверхности изделия кромками этих зубьев [12], а также уменьшить процесс разбивания резьбового отверстия за счет более надежного ориентирования в резьбовом профиле [5].

Однако реализация этого предложения затруднительна из-за сложности операции обратного затылования ведущей части метчика методом шлифования.

Магнитно-абразивное полирование позволяет без особых усилий формировать приближенную к бочкообразной форму зубьев, которая представлена на рис. 9.

В заключение можно сказать, что магнитно-абразивное полирование позволяет обрабатывать поверхности, в основном имеющие сложную пространственную форму, чего не скажешь о большинстве традиционных методах, которые трудно приспособить к такой операции. Все вышеизложенные преимущества МАП метчиков в совокупности оказывают существенное влияние на размерную стойкость режущего инструмента, на процесс нарезания резьбового профиля и качество резьбового отверстия.

Также необходимо отметить, что метчик, подвергшийся магнитно-абразивному полированию, по сравнению со стандартным комплектом из трех метчиков, позволяет достичь уменьшения шероховатости резьбовых поверхностей с 5-10 до 1,6-2,5 мкм, при этом последующая раскатка обеспечивает получение шероховатости в пределах 0,8-1,25 мкм, повысить стойкость метчиков в 2-3 раза, а также обеспечить значительную экономию быстрорежущей стали.

В связи с этим магнитно-абразивное полирование является наиболее приемлемым и эффективным методом для обработки слож-нопрофильных инструментов на окончательной стадии их изготовления и требует дальнейшего более тщательного изучения.

Выводы

1. Эффективность технологического процесса изготовления внутренних резьб в изделиях горных машин можно повысить изменением состояния режущих кромок и рабочих поверхностей зубьев режущего инструмента, его микрогеометрических параметров (радиуса скругления режущих кромок, падения обратного затылка), а также формы зубьев на ведущем участке метчика.

2. Установлено, что магнитно-абразивное полирование является наиболее приемлемым и эффективным методом финишной обработки резьбонарезного инструмента.

3. При нарезании резьбы в изделиях подземных горных машин целесообразно при-

№ 2(92)/2016

менять метчики, рабочие участки которых предварительно обработаны методом магнитно-абразивного полирования.

Литература

1. Акулович Л. М., Сергеев Л. Е. Технология и оборудование магнитно-абразивной обработки металлических поверхностей различного профиля. Минск: БГАТУ, 2013. 372 с.

2. Акулович Л. М., Сергеев Л. Е., Лебедев В. Я. Основы магнитно-абразивной обработки металлических поверхностей. Минск: БГАТУ, 2012. 316 с.

3. Барон Ю. М. Влияние состояния кромок лезвий на эффективность режущих инструментов // Инструмент и технологии. 1997. Вып. 5. С. 1-11.

4. Барон Ю. М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов. Л.: Машиностроение, 1986. 176 с.

5. Матвеев В. В. Нарезание точных резьб. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1978. 88 с.

6. Maksarov V. V., Keksin A. I. Methods of increasing the quality of the thread pitches // International Conference „Biosystems Engineering. Production Engineering", Estonian University of Sciences, 9-13 May 2013 Tartu, Estonia. Р. 133-138.

7. Семенча П. В., Зисилин Ю. А. Редукторы горных машин. Конструкции, расчет и испытания. М.: Недра, 1990. 237 с.

8. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / А. Г. Суслов, В. П. Федеров, О. А. Горленко [и др.]; под общ. ред. А. Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2006. 448 с.

9. Хомич Н. С. Магнитно-абразивная обработка изделий. Минск: БНТУ, 2006. 218 с.

10. Якухин В. Г. Оптимальная технология изготовления резьб. М.: Машиностроение, 1985. 184 с.

11. Алмазно-абразивная обработка и упрочнение изделий в магнитном поле / П. И. Ящерицын, М. Т. За-бавский, Л. М. Кожуро, Л. М. Акулович. Минск: Наука и техника, 1988. 272 с.

12. А. с. № 139906. Метчик для нарезания точных резьб. Бюл. изобретений Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР. 1961. № 14. С. 62.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ

И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

под редакцией В. В. Кузнецова

ISBN 978-5-7325-1048-5 Объем 378 с. Цена 520 руб.

Монография посвящена проблемам анализа, синтеза и моделирования сложных систем различной природы. Содержание материала соответствует разделу паспорта научной специальности 05.13.01 «Системный анализ управления и обработка информации». Материалы монографии сгруппированы так, что они удовлетворяют требованиям ученых при выполнении фундаментальных и прикладных исследований. Монография рассчитана для использования учеными, специалистами-практиками, аспирантами при выполнении исследований и анализе больших, территориально распределенных технических систем, а также сложных проектов.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.