Нарезание резьбы метчиками в глухих отверстиях деталей из труднообрабатываемых материалов с применением ультразвуковых колебаний

УДК 621.923

НАРЕЗАНИЕ РЕЗЬБЫ МЕТЧИКАМИ В ГЛУХИХ ОТВЕРСТИЯХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

В.В. Головкин, М.В. Дружинина

Проеден анализ процесса нарезания резьбы в глухом отверстии и приведены рекомендации для повышения работоспособности метчиков.

Ключевые слова: резьба, резание, метчик, ультразвук, колебания, крутящий момент.

Нарезание резьбы в отверстиях малого диаметра обычно осуществляется комплектом метчиков. Однако при нарезании резьбы в материалах с высокими физико-механическими характеристиками возникают проблемы, связанные с низкой стойкостью инструмента, сколами на режущих зубьях, а иногда поломкой метчика в обрабатываемом отверстии.

Особые затруднения возникают при нарезании резьб в глухих отверстиях, так как метчики имеют рабочую часть минимальной длины, а после нарезания резьбы необходимо осуществить установку и реверсирование для вывода метчика из отверстия.

Рассмотрим более подробно процесс нарезания резьбы в глухом отверстии.

По сравнению с нарезанием резьбы в сквозных отверстиях формирование резьбы в глухих отверстиях обладает рядом существенных особенностей.

Нарезание резьбы в сквозном отверстии включает следующие основные этапы:

- врезание режущей части;

- нарезание резьбы по всей глубине отверстия;

- выход режущей части и калибровка нарезанной резьбы;

- остановка и вывинчивание метчика из обработанного отверстия.

При нарезании резьбы в глухих отверстиях процесс состоит из следующих этапов:

- врезание режущей части;

- нарезание резьбы на заданную глубину;

- остановка метчика в отверстии и вывинчивание его из обработанного отверстия.

Отличительной особенностью процесса является также и то, что в процессе обработки в глухих отверстиях на дне накапливаются отделившиеся стружки, а в конце резьбовой части отверстия в момент остановки метчика образуются стружки, неотделенные от основной массы обрабатываемого материала. При обратном ходе метчика каждый зуб режущей час-

57

ти, проходя указанную зону, подвергается действию силы Рсм (рис. 1, а).

а

б

в

Рис. 1. Схема нарезания резьбы метчиком: а - резание при обратном ходе метчика; б - нарезание резьбы в упор до дна отверстия; в - процесс смятия стружки

Нарезание резьбы в упор до дна отверстия (рис. 1, б) показывает, что в начальный момент вывинчивания метчика из отверстия происходит смятие стружек, накопившихся в процессе резания на дне отверстия.

На приведенной осциллограмме (рис. 2) видно, что при обратном ходе метчика также имеет место увеличение значений крутящего момента при вывинчивании метчика (точки С и Б). В данных точках происходит срезание и деформация указанных стружек.

Рис. 2. Изменение крутящего момента при нарезании резьбы метчиком в глухом отверстии до дна:

ОА - врезание режущей части; АВ - нарезание резьбы;

ВС - остановка и начало вывинчивания метчика;

БЕ и ЕЕ - вывинчивание метчика из отверстия

При нарезании резьб в глухих отверстиях при обратном ходе наблюдается резкое кратковременное увеличение крутящего момента. Это объясняется тем, что зубья режущей части метчика взаимодействуют с указанными стружками, что в ряде случаев приводит к выкрашиванию режущих кромок метчика. Следует отметить, что если срезание неотделенных стружек обязательно сопровождает процесс, то попадание срезанной стружки под режущие зубья метчика имеет место только при определенных условиях, которые в первом приближении могут быть определены из следующих соображений.

При нарезании резьбы метчиком происходит удаление части металла для образования профиля резьбы (рис. 3). Определим объем срезанной стружки:

V =-

у СТР 2

л-м л-0

V

4 4

Ь

или

лЬ

V = —

у СТР £ \им ио )

Высоту пространства I, которую займёт срезанная стружка, можно определить исходя из равенства объемов

лЬ /2 ^2^ Л!

(-М - - о2 ) =

8 ' м 0' 4

откуда

-2 - -2

I = -м---ЬК ,

4

где К - коэффициент, учитывающий неплотное размещение стружки на дне отверстия и объем, заполненный стружкой на конусной части дна отверстия под резьбу, К = 1,2.

На рис. 3, б, в приведены графики изменения величин I и— для

- о

резьбы М4-М12. Из приведенных данных видно, что с уменьшением диаметра резьбы условия обработки ухудшаются (величина— изменяется в

- о

пределах от 0,4 до 0,8-м). Очевидно, что внедрение метчика в зону I приводит к резкому увеличению крутящего момента как при нарезании резьбы, так и при вывинчивании метчика за счет попадания стружек под затыло-ванные зубья режущей части метчика. Поэтому при нарезании резьбы в глухих отверстиях необходимо исключить взаимодействие режущих зубьев метчика со срезанной стружкой, например, за счет ее удаления из отверстия в процессе обработки.

Для повышения работоспособности метчиков при нарезании резьбы в глухих отверстиях необходимо применять специальные нестандартные

Рис. 3. Анализ процесса нарезания резьбы в глухом отверстии: а - схема определения объема срезанной стружки, где йт - диаметр метчика, й0 - диаметр отверстия, Ь - длина нарезанной резьбы,

I - длина, которую займёт срезанная стружка; б - график изменения длины занимаемой стружкой в зависимости от диаметра нарезаемой резьбы; в - изменение отношения Ш0 в зависимости от диаметра нарезаемой резьбы

Для нарезания резьбы в глухих отверстиях деталей из труднообрабатываемых материалов стандартные метчики не применяются, поэтому практически все крупные машиностроительные предприятии вынуждены разрабатывать специальные конструкции метчиков. Об актуальности этой проблемы свидетельствует также большое количество изобретений, заявок и патентов на различные конструкции метчиков для нарезания резьбы в глухих отверстиях. Основные конструктивные особенности таких метчиков приведены ниже (рис. 4).

а

б

в

Рис. 4. Конструктивные особенности метчиков для нарезания резьб

в глухих отверстиях

Метчики, имеющие специальное затылование по задней поверхности зуба (рис. 4, а). Применение данных конструкций метчиков позволяет повысить стойкость метчиков за счет уменьшения крутящего момента при вывинчивании.

Метчики, имеющие рифление на задней поверхности зубьев (рис. 4, б). Данная конструкция также позволяет повысить стойкость метчика.

Метчики имеющие зубья обратного резания, позволяющие срезать корни стружек, образованные при нарезании резьбы последующими зубьями (рис. 4, в). В результате также улучшаются условия работы метчика и повышается его стойкость.

Метчики, имеющие зубья с отрицательными значениями переднего угла, позволяющие предотвратить сколы за счет увеличения прочности (рис. 4, г). В результате также повышается стойкость метчика.

Метчики, у которых с целью уменьшения крутящего момента при вывинчивании изменен угол перьев таким образом, что срезание корней стружек происходит поочередно каждым зубом метчика (рис. 4, д), что также позволяет увеличить работоспособность метчика.

В перечисленных пяти группах обобщены практически все конструктивные признаки, позволяющие повысить работоспособность метчиков

г

при нарезании резьбы в глухих отверстиях.

Таким образом, для повышения работоспособности метчиков при нарезании резьбы в глухих отверстиях необходимо исключить возможность попадания срезанной стружки под затылованные режущие зубья метчика в начальный момент его вывинчивания из отверстия, а также желательно применять специальные конструкции метчиков.

Многочисленными исследованиями установлено, что введение в зону резания вынужденных ультразвуковых колебаний приводит к значительному уменьшению сил резания и трения, особенно при обработке многолезвийным инструментом. В связи с этим для изучения данного эффекта были проведены исследования по изучению влияния вынужденных ультразвуковых колебаний на крутящий момент при нарезании резьбы малого диаметра (М3 - М10) метчиками из стали P18 в сквозных и глухих отверстиях.

Экспериментальные исследования проводились на станке 2А135 с помощью специально разработанных быстросъемных ультразвуковых устройств. Нарезание резьбы проводилось как с наложением ультразвука, так и без него. При нарезании резьбы с ультразвуком инструменту сообщались осевые колебания с частотой f = 18.. .22 кГц при различной величине амплитуды колебаний.

Результаты исследования влияния амплитуды колебаний (£,) и скорости резания (V) на крутящий момент (Мкр) приведены на рис. 5. Нарезание резьбы осуществлялось сразу полнопрофильным метчиком М8, изготовленным из быстрорежущей стали Р18 (3-й метчик из комплекта). Для исключения погрешности подачи метчика нарезание резьбы осуществлялось по методу «самозатягивания» за счет телескопического выдвижения метчика, закрепленного в концентраторе ультразвуковой системы.

Рис. 5. Влияние V и % на Мкр при обработке сплава ВТ9 полнопрофильным метчиком М8

Из представленных зависимостей видно, что увеличение скорости резания приводит к плавному увеличению крутящего момента как в случае обработки с ультразвуком, так и без него. Поэтому нарезание резьбы метчиками осуществляют с низкими значениями скорости резания, а часто и в ручную.

Наложение ультразвука способствует снижению Мкр. во всем диапазоне исследованных скоростей. При этом с увеличением амплитуды до £, = 5 мкм эффективность действия ультразвука возрастает.

Уменьшение значения крутящего момента при наложении на метчик ультразвуковых колебаний объясняется увеличением скорости относительного перемещения режущего лезвия и заготовки, что способствует уменьшению трения и отсутствию вследствие этого наростообразования.

Влияние размера метчика на момент резания изучалось при обработке заготовок как первым, так и третьим метчиком из комплекта (рис. 6).

При этом обработка третьим метчиком производилась с наложением ультразвуковых колебаний.

о мз т т л4тпметч,мм

Рис. 6. Влияние диаметра метчика на Мкр:

1 - 1-й метчик; 2 - полнопрофильный метчик

Представленные зависимости показывают, что с увеличением диаметра метчика крутящий момент возрастает, причем более интенсивно при обработке без применения вынужденных ультразвуковых колебаний. При обработке с вынужденными ультразвуковыми колебаниями полнопрофильным метчиком из комплекта видно, что крутящий момент по своей величине незначительно превосходит момент резания, при обработке первым метчиком без ультразвуковых колебаний, поэтому становится воз-

63

можной обработка одним метчиком из комплекта. Однако при этом наблюдается снижение стойкости метчиков, особенно при нарезании резьб в глухих отверстиях.

Таким образом, из представленных результатов видно, что для рационального использования режущей способности метчиков и повышения эффективности процесса резьбонарезания необходимо обеспечивать режимы обработки, при которых момент резания не превышал бы предельнодопустимых значений крутящего момента, соответствующих разрушению метчика. При этом наложение на метчик вынужденных осевых ультразвуковых колебаний с оптимальной амплитудой позволяет значительно уменьшить крутящий момент и, следовательно, повысить работоспособность метчиков, особенно при нарезании резьбы на заготовках из труднообрабатываемых материалов.

Головкин Валерий Викторович, канд. техн. наук, доц., issa@samgtu.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,

Дружинина Марина Владимировна, ассистент, druzhinina41@yandex.ru. Россия, Самара, Самарский государственный технический университет

CARVING CUTTING BY TAPS IN DEAF OPENINGS OF DETAILS FROM HARDLY PROCESSED MATERIALS WITH APPLICATION OF ULTRASONIC FLUCTUATIONS

V. V. Golovkin, M. V. Druzhinina

The analysis of process of cutting of a carving in a deaf opening is eaten and recommendations for increase of operability of taps are provided.

Key words: carving, cutting, tap, ultrasound, fluctuations, torque.

Golovkin Valeriy Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, issa@samgtu.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,

Druzhinina Marina Vladimirovna, assistant, druzhinina41@yandex.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University