Способ нарезания резьбы и инструмент для его осуществления
METHOD OF CUTTING THREADS AND TOOLS FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам и инструментам нарезания внутренних резьб.
Известен способ нарезания резьбы и инструмент для его осуществления, по которому в способе многоступенчатому метчику сообщают относительно заготовки осевую подачу и вращение. При этом хвостовик метчика с направляющим цилиндром со стороны заборной части первой ступени вводят в закрепленную в патроне привода вращения токарного станка заготовку, пропущенный через заготовку хвостовик закрепляют с помощью клина на суппорте привода подачи. Подачу осуществляют с шагом, равным шагу нарезаемой резьбы (см. Киреев Г.И. Проектирование метчиков и круглых плашек. - Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет, 2008, с. 52, рис. 1.13).
Недостаток способа состоит в том, что нарезание резьбы осуществляют многоступенчатым метчиком с принудительной осевой подачей с шагом, равным шагу нарезаемой резьбы, и вращением от шпинделя станка.
Недостаток аналога инструмента состоит в том, что метчик выполнен многоступенчатым с режущими зубьями, хвостовик метчика выполнен с отверстием под клин, а стружечные канавки метчика имеют малый объем для размещения стружки.
Резьбонарезание многоступенчатым метчиком требует длительного времени на врезание и выход из заготовки, снижая производительность обработки, при этом из-за большой длины инструмент подвержен значительным термоупругим деформациям и снижает точность резьбы по шагу. Разделение относительных перемещений на два привода - вращения заготовки и подачи инструмента, а также принудительная осевая подача с шагом, равным шагу нарезаемой резьбы, вносят кинематические погрешности в обработку, снижая точность нарезаемой резьбы по форме, уводу оси и шагу, усложняют способ. Провисание свободного конца метчика под влиянием центробежной силы и собственного веса также ухудшает качество резьбы, вызывая ее разбивку, особенно при обработке пластичных материалов. Непрерывно образующаяся стружка из пластичных материалов при большой длине нарезаемой резьбы забивает стружечные канавки метчика, что приводит к поломке инструмента. Нарезание многоступенчатым метчиком требует большой мощности на резание. Поэтому такой способ непригоден при нарезании крупной резьбы в глубоких отверстиях заготовок из пластичных материалов, снижает производительность обработки и качество резьбы, требует больших затрат мощности на резание, увеличивает вероятность поломки инструмента, является сложным.
Инструмент - многоступенчатый метчик является сложным в изготовлении, требует большого объема инструментального материала, имеет низкую жесткость и затрудненный отвод стружки из обрабатываемого отверстия. Малый объем стружечных канавок при большой длине инструмента не позволяет вести обработку глубоких отверстий с подводом стружковыводящей среды, увеличивая силы резания и вероятность поломки инструмента. Наличие только режущих зубьев в лезвийном инструменте не обеспечивает точного базирования метчика в заготовке. Хвостовик с отверстием под клин не позволяет метчику работать при самозатягивании, снижая точность его работы.
Следовательно, известный инструмент является сложным, не позволяет вести высокопроизводительную обработку глубоких отверстий, снижает ресурс инструмента и качество нарезаемой резьбы.
Известен также способ нарезания резьбы и инструмент для его осуществления, в способе которого заготовке сообщают принудительную осевую подачу, а метчику - вращение со стороны хвостовика у калибрующей части с помощью фрикциона, причем осевую подачу сообщают на величину, меньшую шага нарезаемой резьбы, чередуя врезание и самозатягивание в заготовку, а инструмент содержит соединенные между собой фрикцион, зажимной патрон и метчик (патент 1174188, B23G 1/00, 1985 г.).
Недостаток способа нарезания резьбы состоит в том, что врезание метчика осуществляют со стороны незакрепленного его торца, обрабатываемой заготовке сообщают принудительную осевую подачу, меньшую шага нарезаемой резьбы, а вращение метчику создают с помощью фрикционного устройства.
Врезание метчика со стороны незакрепленного торца при обработке пластичных материалов под влиянием центробежной силы и собственного веса приводит к уводу оси нарезаемой резьбы, ее огранке и разбивке. Вращение инструмента с помощью фрикциона усложняет способ. Неравномерность вращения метчика с помощью фрикциона приводит к динамическим нагрузкам, вибрациям, также снижая точность нарезаемой резьбы и способствуя поломкам метчика. А принудительная осевая подача заготовки вносит кинематические погрешности в обработку, снижая точность резьбы. Непрерывно образующаяся стружка из пластичных материалов при большой длине нарезаемой резьбы в глубоких отверстиях и при нарезании крупной резьбы забивает стружечные канавки метчика, что приводит к поломке инструмента, портит резьбу, образуя на ней шероховатости, задиры и заусенцы. Прерывистость резания создает погрешности обработки, а самозатягивание при острых зубьях метчика является ненадежным. Поэтому такой способ является сложным, непригоден при нарезании крупной резьбы в глубоких отверстиях пластичных материалов из-за роста вероятности поломки метчика, снижает качество получаемой резьбы и производительность обработки.
Недостаток аналога инструмента состоит в том, что инструмент состоит из соединенных между собой фрикциона, зажимного патрона и метчика, а метчик содержит режущие зубья и стружечные канавки малого объема, имеет хвостовик для жесткого консольного закрепления в патроне. Такой инструмент с фрикционом, зажимным патроном и метчиком является сложным. Хвостовик для консольного закрепления метчика в патроне снижает точность обработки. Малый объем стружечных канавок не позволяет вести обработку глубоких отверстий в пластичных материалах с одновременным подводом среды для удаления стружки. Наличие только режущих зубьев в лезвийном инструменте не обеспечивает точного базирования метчика в заготовке.
Следовательно, аналоги способа и инструмента для нарезания резьбы имеют узкие технологические возможности, так как неработоспособны при получении крупных резьб высокой точности в глубоких отверстиях заготовок из пластичных материалов, вследствие поломок инструмента и погрешностей резьбы, низкой производительности обработки, являются сложными.
Наиболее близким способом и инструментом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нарезания резьбы и инструмент для его осуществления, в способе которого метчику сообщают осевое перемещение с формированием прорезей с помощью перьев метчика на глубину резьбы, после чего метчик поворачивают на угол между его перьями, а инструмент, метчик, выполнен с режущими лезвиями и прямыми стружечными канавками, причем число перьев метчика равно числу стружечных канавок (патент 944829, B23G 1/06, 1982 г.).
Недостатком способа нарезания резьбы является то, что метчику сообщают осевое перемещение с формированием прорезей с помощью перьев метчика на глубину резьбы, после чего метчик поворачивают на угол между его перьями.
Формирование прорезей резанием на глубину резьбы с помощью перьев метчика требует большой осевой силы, делает резьбу прерывистой на ширину пера, снижая несущую способность резьбы. Разделение чередующихся перемещений метчика на осевое и вращение снижает производительность обработки, вносит кинематические погрешности в обработку по шагу и форме резьбы, не позволяет калибровать резьбу метчиком. Одновременное нарезание резьбы при повороте метчика сразу на всю глубину ее профиля забивает стружечные канавки метчика стружкой и затрудняет ее отвод из зоны обработки, повышает шероховатость поверхности, требует большого крутящего момента на преодоление силы трения стружки, увеличивая вероятность поломки инструмента, особенно при крупной резьбе. Резание вдоль оси требует также большой осевой силы. При обработке пластичных материалов после осевого перемещения перед метчиком образуется грат из деформированного материала, который при повороте метчика не размещается в стружечных канавках и вызывает его разрушение. Нарезание глубокой резьбы при осевом воздействии на метчик привода подачи вызывает кинематические погрешности по шагу резьбы, в зависимости от точности исполнения привода. Прототип не позволяет осуществлять обработку с самозатягиванием метчика, постоянно требуя принудительного осевого перемещения с осевым усилием и увеличенных затрат мощности на резание. Врезание метчика со стороны незакрепленного торца увеличивает погрешности резьбы.
Недостатком инструмента для осуществления способа является то, что метчик выполнен с режущими лезвиями, имеющими профиль резьбы, и прямыми стружечными канавками, причем число перьев метчика равно числу стружечных канавок.
Режущие лезвия, имеющие вдоль оси метчика профиль резьбы, формируют прорези боковыми сторонами резьбы с отрицательными передними углами при больших силах резания, образуют перед метчиком большой объем деформированного материала, который в последующем при повороте метчика не размещается в стружечных канавках, создает большой крутящий момент при резании и ведет к поломке инструмента, образует задиры на обработанной поверхности. Метчик с прямыми стружечными канавками имеет ограниченные технологические возможности в сравнении с винтовыми канавками, дает огранку по окружности резьбы, не позволяет вести обработку отверстий с продольными пазами. Равенство чисел перьев и стружечных канавок не позволяет размещать деформированный перед метчиком материал в стружечных канавках, предназначенных для срезаемой стружки, разделять срезаемый слой с помощью большего числа прорезей, чем предусмотрено этим равенством, и улучшать тем самым отвод стружки.
Следовательно, прототип способа нарезания резьбы и инструмента для его осуществления имеет узкие технологические возможности, так как непригоден для получения крупных резьб в глубоких отверстиях заготовок из пластичных материалов из-за поломок инструмента, обеспечивает низкую точность и несущую способность резьбы, снижает производительность обработки, требует больших затрат мощности резания.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа и инструмента, принятого за прототип, относится то, что при осуществлении способа продольные канавки в обрабатываемом материале прорезают с помощью перьев метчика, а затем метчик поворачивают на угол между перьями, а в инструменте метчик выполнен с режущими лезвиями, имеющими профиль резьбы, и прямыми стружечными канавками, причем число перьев метчика равно числу стружечных канавок.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
С целью расширения технологических возможностей способа путем его применения для нарезания крупной резьбы в глубоких отверстиях заготовок из пластичных материалов, повышения точности нарезаемой резьбы, производительности обработки и ресурса инструмента, а также снижения затрат мощности на обработку, при осуществлении заявленного способа нарезания резьбы используют инструмент, состоящий из выдавливающей части с клиновыми инденторами, соединенной с метчиком с возможностью относительного вращения, и метчика, к калибрующей части которого примыкает бесканавочный участок, при этом осуществляют давление метчиком на выдавливающую часть и при ее осевом перемещении выдавливают прорези инденторами, образующийся грат срезают режущей частью метчика, после врезания в заготовку бесканавочного участка устраняют осевое воздействие на метчик, и нарезание резьбы осуществляют путем его самозатягивания в заготовку по сформированному в процессе нарезания резьбы резьбовому соединению между бесканавочным участком и заготовкой, причем в стружечные канавки перед бесканавочным участком подают сжатый воздух, а отверстие заготовки периодически перекрывают со стороны выдавливающей части.
Поставленная цель достигается также тем, что в заявленном инструменте для осуществления способа нарезания резьбы на метчике со стороны его режущей части установлена с возможностью относительного вращения выдавливающая часть в виде втулки, например, из магнитного материала, с расположенными на ее наружной поверхности вдоль оси клиновыми инденторами, к калибрующей части метчика примыкает бесканавочный резьбовой участок, число витков резьбы которого определяется по формуле
где N - минимально необходимое число витков бесканавочной резьбы; Р - суммарная осевая сила при выдавливании инденторами; D - наружный диаметр резьбы; S - шаг резьбы; [τ] - допустимое касательное напряжение сдвига материала заготовки.
Технический результат - расширение технологических возможностей способа путем его применения для нарезания крупной резьбы в глубоких отверстиях заготовок из пластичных материалов, повышение точности нарезаемой резьбы, производительности обработки, ресурса инструмента, а также снижение затрат мощности на обработку.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения - способа нарезания резьбы достигается тем, что в известном способе нарезания резьбы, по которому инструменту сообщают осевое перемещение с формированием прорезей на глубину резьбы и вращение, особенность заключается в том, что используют инструмент, состоящий из выдавливающей части с клиновыми инденторами, соединенной с метчиком с возможностью относительного вращения, и метчика, к калибрующей части которого примыкает бесканавочный участок, при этом осуществляют давление метчиком на выдавливающую часть и при ее осевом перемещении выдавливают прорези инденторами, образующийся грат срезают режущей частью метчика, после врезания в заготовку бесканавочного участка устраняют осевое воздействие на метчик, и нарезание резьбы осуществляют путем его самозатягивания в заготовку по сформированному в процессе нарезания резьбы резьбовому соединению между бесканавочным участком и заготовкой, причем в стружечные канавки перед бесканавочным участком подают сжатый воздух, а отверстие заготовки периодически перекрывают со стороны выдавливающей части.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения - инструмента для осуществления описанного изобретения - способа нарезания резьбы достигается тем, что в известном инструменте, содержащем метчик с режущей и калибрующей частями, особенность заключается в том, что на метчике со стороны его режущей части установлена с возможностью относительного вращения выдавливающая часть в виде втулки, например, из магнитного материала, с расположенными на ее наружной поверхности вдоль оси клиновыми инденторами, а к калибрующей части метчика примыкает бесканавочный участок, число витков резьбы которого определяется по формуле
где N - минимально необходимое число витков бесканавочной резьбы; Р - суммарная осевая сила при выдавливании инденторами; D - наружный диаметр резьбы; S - шаг резьбы; [τ] - допустимое касательное напряжение сдвига материала заготовки.
Между отличительными признаками способа нарезания резьбы и вышеуказанным техническим результатом существует причинно-следственная связь, заключающаяся в том, что нарезание резьбы в глубоких отверстиях длиной до сорока и более ее диаметров при непрерывной обработке сопровождается забиванием стружкой стружечных канавок метчика с образованием пакетов стружки и поломками инструмента. Особенно это проявляется при резании пластичных материалов с большим коэффициентом утолщения стружки и при нарезании крупных резьб. В предлагаемом способе данная проблема решена тем, что с помощью выдавливающей части с расположенными вдоль ее оси в необходимом количестве клиновыми инденторами выдавливаются узкие прорези, не снижающие несущую способность резьбы, но выполняющие функцию стружкоразделительных канавок и способствующие дроблению стружки на части, легко удаляемые из стружечных канавок. Также хорошему удалению стружки способствует то, что перед бесканавочным участком на калибрующей части подают сжатый воздух, обеспечивая выдувание стружки по всей длине стружечных канавок через выдавливающую часть и обрабатываемое отверстие. Этот эффект усиливают тем, что отверстие заготовки периодически перекрывают со стороны выдавливающей части, в результате создается импульсное воздействие на стружку сжатым воздухом при открытии отверстия и обеспечивается отрыв налипающей стружки от поверхности стружечной канавки. Импульсная обработка обеспечивает смятие шероховатостей на поверхности резьбы бесканавочным участком метчика, снижая крутящий момент при обработке. Тому же способствует повышенное давление сжатого воздуха при его подаче на калибрующей части перед бесканавочным участком. Выдавливание прорезей клиновыми инденторами при их продольном перемещении вдоль оси инструмента приводит к деформированию обрабатываемого материала в направлении, перпендикулярном этой оси, образуя грат небольшой высоты, легко срезаемый режущей частью метчика с малым размером стружки и небольшим крутящим моментом, требует небольшой осевой силы. Взаимодействие метчика с выдавливающей частью в сочетании с наличием бесканавочного участка улучшает его базирование, гасит вибрации, тем самым повышая точность нарезаемой резьбы. Также в предлагаемом способе применяют метчик с бесканавочным участком, после врезания в заготовку которого устраняют осевое воздействие на метчик со стороны привода станка, и нарезание резьбы осуществляют путем его самозатягивания в заготовку по сформированному в процессе нарезания резьбы резьбовому соединению между бесканавочным участком и заготовкой. При этом создают давление метчиком на выдавливающую часть без специального привода подачи только лишь за счет самозатягивания метчика, что повышает точность и производительность обработки, снижает силы и мощность резания. Бесканавочный участок одновременно калибрует резьбу.
Между отличительными признаками инструмента для осуществления способа нарезания резьбы и вышеуказанным техническим результатом существует причинно-следственная связь, заключающаяся в том, что установленная на метчике со стороны его режущей части с возможностью относительного вращения выдавливающая часть в виде втулки, например, из магнитного материала, с расположенными на ее наружной поверхности вдоль оси клиновыми инденторами позволяет выдавливать любое необходимое число стружкоразделительных канавок в срезаемом резьбовом слое, обеспечивая надежное размещение и удаление стружки. Выдавливающая часть в виде втулки позволяет удалять стружку через втулку в обрабатываемое отверстие и дает возможность выполнять стружечные канавки и прямой, и винтовой формы. Втулка из магнитного материала лучше базируется на режущей части метчика, обеспечивая получение прорезей точно по глубине нарезаемой резьбы. Возможность относительного вращения выдавливающей и режущей частей позволяет получать прорези, ориентированные вдоль оси метчика, не создавая дополнительного крутящего момента на инструменте. То, что к калибрующей части метчика примыкает бесканавочный участок, позволяет вести нарезание резьбы путем самозатягивания инструмента в заготовку, обеспечивая точность резьбы по шагу, улучшает базирование метчика в заготовке, исключая разбивку и огранку резьбы. Определение числа витков резьбы на бесканавочном участке по формуле, учитывающей условие исключения среза витков под влиянием осевого усилия, повышает надежность и ресурс инструмента.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления предлагаемого изобретения с получением вышеуказанного технического результата: на чертеже представлена схема нарезания резьбы в промежуточной стадии обработки в процессе самозатягивания метчика. Способ нарезания резьбы при помощи инструмента для его осуществления представлен на схеме процесса нарезания резьбы на фиг. 1 с поперечным разрезом по линии стыка метчика и выдавливающей части на фиг. 2.
Способ нарезания резьбы заключается в том, что инструменту 1 сообщают осевое перемещение по стрелке 2 с формированием прорезей 3 на глубину t резьбы 4 и вращение по стрелке 5. При этом используют инструмент 1, состоящий из выдавливающей части 6 зубчатой формы с расположенными вдоль ее оси 7 клиновыми инденторами 8 на наружной поверхности 9, и метчик 10, к калибрующей части 11 которого примыкает бесканавочный участок 12 с витками резьбы 21. Осуществляют давление метчиком 10 на выдавливающую часть 6 и при ее перемещении вдоль оси 7 клиновыми инденторами 8 выдавливают прорези 3 в пластичном материале с малой осевой силой. Затем образующийся грат 13 малого объема срезают режущей частью 14 метчика 10. Прорези 3 позволяют дробить стружку и легко выводить ее из заготовки 15. После врезания в заготовку 15 бесканавочного участка 12 устраняют осевое воздействие оправки 16 привода станка на метчик 10, и нарезание резьбы 4 осуществляют путем самозатягивания метчика 10 в заготовку 15 по сформированному в процессе нарезания резьбы 4 резьбовому соединению бесканавочного участка 12 и заготовки 15. Так выполняют калибрование резьбы 4 для повышения ее точности и повышают производительность обработки. В стружечные канавки 17 перед бесканавочным участком 12 по каналам 18 подают сжатый воздух, а отверстие 19 заготовки 15 периодически перекрывают со стороны выдавливающей части 6 пробкой 20. В результате создается импульсная подача сжатого воздуха, способствующая эффективному удалению стружки из стружечных канавок 17 в направлении осевого перемещения по стрелке 2, а на резьбе 4 устраняются шероховатости поверхности.
Инструмент для осуществления способа нарезания резьбы также представлен на описанном чертеже фиг. 1 в общем виде и на фиг. 2 поперечного разреза по линии стыка метчика и выдавливающей части.
Инструмент 1 содержит выдавливающую часть 6, ось 7, клиновые инденторы 8, наружную поверхность 9, метчик 10, калибрующую часть 11, бесканавочный участок 12, режущую часть 14, стружечные канавки 17, канал 8, витки резьбы 21, буртовое соединение 22, наружный диаметр резьбы D, шаг резьбы S.
Указанные элементы взаимосвязаны следующим образом. На метчике 10 со стороны режущей части 14 установлена с помощью буртового соединения 22 выдавливающая часть 6 с возможностью вращения относительно режущей части 14. На наружной поверхности 9 выдавливающей части 6, выполненной, например, из магнитного материала, в виде втулки с осью 7, расположены клиновые инденторы 8. К калибрующей части метчика 10 примыкает бесканавочный участок 12 с витками резьбы 21. Метчик 10 содержит стружечные канавки 17 по всей длине режущей части 14 и калибрующей части 11 и внутренний канал 8, выходящий на калибрующую часть 11 перед бесканавочным участком 12.
Инструмент работает следующим образом.
При осевом перемещении метчика 10 осуществляется давление его режущей части 14 на выдавливающую часть 6, которая закреплена на метчике 10 с помощью буртового соединения 22 с возможностью вращения относительно режущей части 14, но для уменьшения люфтов в буртовом соединении 22 укреплена, например, с помощью магнитного поля выдавливающей части 6. При этом клиновые инденторы 8 выдавливают в заготовке прорези в направлении оси 7. Режущая часть 14 срезает выдавленный грат и формирует в заготовке резьбу, а калибрующая часть 11 ее зачищает. Чтобы обеспечить работу метчика 10 самозатягиванием в заготовку, он снабжен бесканавочным участком 12, который усиливает давление метчика 10 на выдавливающую часть 6, стабилизирует положение метчика при обработке и калибрует резьбу, зачищая шероховатости и заусенцы на ней. Одновременно бесканавочный участок 12 запирает обрабатываемое отверстие и способствует выводу стружки по стружечным канавкам 17 через выдавливающую часть 6 по всей длине метчика 10 с помощью сжатого воздуха, поступающего по внутреннему каналу 8. Возможность установки на выдавливающей части 6 любого количества клиновых инденторов 8 позволяет осуществлять дробление стружки на любую длину в соответствии с требованиями стружкоотвода. А наличие выдавливающей части 6, отдельной от метчика 10, позволяет применять стружечные канавки 17 винтовой формы, обеспечивая обработку без огранки отверстий и отверстий с продольными пазами. Выдавливание материала требует больших сил, чем резание, поэтому чтобы исключить возможность срезания уже сформированной резьбы в заготовке метчиком, число витков резьбы 21 предлагается рассчитывать по формуле
где N - минимально необходимое число витков бесканавочной резьбы; Р - суммарная осевая сила при выдавливании инденторами; D - наружный диаметр резьбы; S - шаг резьбы; [τ] - допустимое касательное напряжение сдвига материала заготовки. Следовательно, такой инструмент сочетает выдавливание инденторами в боковом направлении к ним с малыми осевыми силами, разделение стружки на любую длину и свободный ее вывод по стружечным канавкам, запирание обрабатываемого отверстия для лучшего подвода сжатого воздуха калибрующим участком в совокупности с его калибрующими свойствами, исключает возможность срезания резьбы при ее обработке.
Исходя из приведенных сведений следует, что и предлагаемый способ нарезания резьбы, и инструмент для его осуществления позволяют расширить их технологические возможности путем применения для получения крупной резьбы в глубоких отверстиях заготовок из пластичных материалов, повысить точность нарезаемой резьбы, производительность обработки, ресурс инструмента, снизить затраты мощности на резание.