УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ

Полезная модель относится к станкостроению, в частности к устройствам для механической обработки глубоких отверстий в длинномерных трубных заготовках. Может применяться в металлорежущих станках для растачивания, прошивания, дорнования и внутреннего шлифования отверстий в длинномерных трубах, например, при обеспечении требований к точности отверстий по ТУ 14-3-/941/-94.
Известна головка, жестко закрепляемая в стебле и базирующаяся по поверхности механически обрабатываемого глубокого отверстия заготовки регулируемыми направляющими (Кирсанов С.В., Гречишников В.А., Схиртладзе А.Г., Кокарев В.И. «Инструменты для обработки точных отверстий». - М., Машиностроение, 2003. 330 с).
Недостаток головки со стеблем - их общая большая длина, которая всегда равна или больше длины глубокого отверстия, например, обрабатываемой трубной заготовки, которая приводит к большим габаритам устройства и непродуктивному использованию площадей под металлорежущие станки в механообрабатывающем производстве труб.
Известна конструкция металлорежущего станка (патент RU 2391186, МПК B23B 41/00 (2006.01), содержащего станину, привод, приспособление для установки и зажима детали, борштангу, установленную на подшипниках в гильзе, люнеты, привод продольной подачи и вращения борштанги, выполненный в виде пневматической реактивной турбины, закрепленной на борштанге, и механизма газораспределения турбины, состоящего из внешнего воздушного трубопровода, воздушных запорных клапанов, установленных в каждом люнете, замкнутых трубопроводов, расположенных в направляющих отверстиях люнетов вдоль их оси, и внутренних воздушных радиальных, кольцевого и осевого каналов турбин, образующих единый внутренний воздушный канал между внешним воздушным трубопроводом и соплами турбины при периодическом открытии воздушных запорных клапанов при воздействии на них фасками передней и задней крышек гильзы, приводящем к поочередному соединению единого внутреннего запорного клапана каждого последующего люнета и отключению предыдущего при перемещении гильзы внутри люнетов, приводящем к потере контакта фасок на торцах крышек гильзы с каждым из предыдущих воздушных клапанов и его отключению, а также к периодическим подаче и прекращению подачи воздуха под давлением в сопла турбины в процессе осевого рабочего хода гильзы и отключению при холостом ходе, причем механизм газораспределения турбины содержит выходные отверстия в крышках, а между борштангой и гильзой установлено промежуточное кольцо так, что радиальные отверстия гильзы и кольца совпадают, а кольцевой канал промежуточного кольца сообщается с радиальным и осевым отверстиями борштанги, образуя общий воздушный канал с внешним воздушным трубопроводом и соплами турбины при растачивании каждого очередного отверстия из ряда соосных.
Преимущество такого станка в малых занимаемых производственных площадях.
Недостаток станка в невозможности использования его в известном виде для механической обработки глубоких отверстий в длинномерных трубных заготовках. Этот недостаток обусловлен невозможностью обеспечения условий жесткости и точности пиноли такого станка, т.к. пиноль в известной конструкции координируется люнетами при отношении длины пиноли 1 к ее диметру d более 5 (1/d 5), что невозможно для известной конструкции осуществить, в то время как при обработке трубных заготовок этот критерий достигает предела (1/d>100). Т.е. низкий технический уровень известных станков обусловлен невозможностью обеспечить требуемую жесткость системы станок - приспособление - инструмент - деталь что не позволяет уменьшить длину приспособления, станков и занимаемые ими производственные площади.
Кроме того станок не обеспечивает возможность осуществления процесса вихрефрезерования - более надежного в организации стружкоделения и стружкоотвода. В результате технико-экономическая эффективность применения таких станков при обработке глубоких отверстии трубных заготовках снижается.
Известно устройство для совмещенной механической обработки глубоких отверстий в трубных заготовках, включающее входной и выходной люнеты для закрепления между ними длинномерной трубной заготовки, режуще-деформирующую пиноль в виде гильзы с помещенной в нее борштангой и закрытой задней крышкой и передней крышкой, содержащую режущий инструмент и имеющее привод вращения борштанги и привод подачи, которое содержит его продольном сечении в режуще-деформирующей части пиноли рабочую группу зубьев и направляющую группу дорнующих зубьев.
Недостаток станка его большая длина, которая всегда равна или больше длины обрабатываемой трубной заготовки, что приводит к большим габаритам устройства и непродуктивному использованию площадей под металлорежущие станки в механообрабатывающем производстве. Кроме того станок не обеспечивает возможность осуществления более надежного способа вихрефрезерования. В результате технико-экономическая эффективность применения таких способов и станков при обработке глубоких отверстий снижается.
Известно устройство для растачивания глубоких отверстий, содержащее входной и выходной люнеты для закрепления между ними длинномерной трубной заготовки, режуще-деформирующую пиноль в виде гильзы с помещенной в нее борштангой, содержащую режущий инструмент и имеющее привод вращения борштанги, выполненный в виде пневматической турбины и привод подачи в виде гидроцилиндра с поршнем, воздействующем на пиноль, снабженную пустотелой режуще-деформирующей прошивкой, в исходном положении находящуюся во входной втулке-люнете. (Смольников Н.Я. Специальные станки для растачивания глубоких прерывистых отверстий шпинделями на выносных опорах: монография / Н.Я. Смольников, В.А. Санинский; ВолгГТУ. - Волгоград: РПК «Политехник», 2004. - 176 с, стр. 105-112.).
Недостаток устройства в недостаточной экономичности, обусловленной значительными габаритами механизмов приводов подачи и вращения инструментов, обусловленными длиной промежуточной трубы, толкающей головку вращающего борштангу с резцом и промежуточного вала, которые длиннее трубы, что и обуславливает значительные габариты устройства, соответственно, занимаемую производственную площадь и, в конечном счете, увеличение затрат на выполнение операции механической обработки глубокого отверстия.
Тем не менее, устройство является наиболее близким техническим решением, позволяющим обеспечить совмещение процессов растачивания и режуще-деформирующего протягивания черновой и чистовой обработки по необработанной поверхности, т.е. в условиях отсутствия переднего направления.
Задачей заявленного устройства является создание новой конструкции малогабаритного металлорежущего станка с возможностью обеспечения процессов высокопроизводительного контурного фрезерования и высокоточного планетарного внутреннего шлифования глубоких и прерывистых отверстий.
Техническим результатом заявленного устройства является уменьшение габаритов оборудования для растачивания, сокращение занимаемых оборудованием площадей и возможность высокоточного планетарного внутреннего шлифования глубоких и прерывистых отверстий.
Технический результат достигается в устройстве для механической обработки глубоких отверстий, включающем входной и выходной люнеты, пиноль с помещенной в нее борштангой с режущим инструментом, содержащую режущие и дорнующие зубья, приводы вращения и подачи борштанги, эксцентричные подшипники, установленные на борштанге, при этом пиноль выполнена с возможностью герметичного уплотнения зазора между пинолью и глубоким отверстием в трубной заготовке дорнующими зубьями, на внутренних торцах входного и выходного люнетов выполнены центрирующие трубную заготовку фаски, а на внешних торцах люнетов и торцах пиноли установлены заглушки, с образованием изолированных герметичных полостей между входным люнетом, трубной заготовкой и пинолью для подачи рабочей среды во время прямого рабочего хода, и между выходным люнетом, трубной заготовкой и пинолью для подачи рабочей среды во время обратного рабочего хода, при этом привод вращения борштанги снабжен турбиной, помещенной в пиноль со смещением относительно оси люнетов, привод подачи борштанги снабжен на входном и выходном люнетах дросселями для изменения давления рабочей среды, эксцентричные подшипники установлены на борштанге жестко, а пиноль снабжена дросселем вращения для изменения давления при подаче рабочей среды на турбину.
На фиг. показано продольное сечение устройства с трубной заготовкой, установленной между входным люнетом и выходным люнетом.
Устройство для механической обработки глубоких отверстий 1 в трубной заготовке 2, включающее входной люнет 3 и выходной люнет 4, пиноль 5 с помещенной в нее борштангой 6 с режущим инструментом 7, содержащую режущие зубья 8 и дорнующие зубья 9, привод вращения борштанги 10, снабженный турбиной 11, помещенной в пиноли 5 на борштанге 6, которая установлена со смещением ε относительно оси люнетов 3 и 4. При этом на борштанге 6 жестко закреплены эксцентричные подшипники 12 и 13. Подшипники 12 и 13 закреплены на борштанге 6 на шпонках 14, а в пиноли 5 - по посадке с зазором. Привод подачи борштанги, состоит из пиноли 5, под действием рабочей среды выполняющей функции поршня, входного люнета 3, трубной заготовки 2 и выходного люнета 4, выполняющих роль цилиндра при движении пиноли 5 (поршня). Пиноль 5 выполнена с возможностью герметичного уплотнения дорнующими зубьями 9 зазора 8 между пинолью 5 и глубоким отверстием 1.
На внутреннем торце 15 входного люнета 3 выполнена центрирующая фаска 16, а внутреннем торце 17 выходного люнета 4 выполнена аналогичная центрирующая фаска 18. На торцах 19 трубной заготовки 2 с обеих сторон выполнены ответные фаски 20 и 21. Причем на внешнем торце 22 входного люнета 3 установлена заглушка 23, на внешнем торце выходного люнета 4 установлена заглушка 24. На торцах пиноли 5 установлены заглушки 25 и 26, с образованием двух изолированных герметичных полостей - полости 27 между входным люнетом 3, трубной заготовкой 2 и пинолью 5 для подачи рабочей среды во время прямого рабочего хода (Sп), и полости 28 между выходным люнетом 4, трубной заготовкой 2 и пинолью 5 и для подачи в нее рабочей среды во время обратного рабочего хода (Sпо).
Для создания необходимого давления P привод подачи борштанги 6 снабжен на входном люнете 3 дросселем 29 и на выходном люнете 4 дросселем 30 для изменения давления P рабочей среды, а пиноль 5 снабжена дросселем вращения 31 для изменения давления при подаче рабочей среды на турбину 11. Трубная заготовка 2 закреплена с помощью патрона 32 (например, 4-х кулачного).
Устройство работает следующим образом
При осуществлении механической обработки глубоких отверстий 1 трубной заготовки 2, обрабатываемое глубокое отверстие 1 центрируется между входным люнетом 3 и выходным люнетом 4 враспор соосно с ними с помощью центрирующих фасок 16 и 18 и ответных фасок 20 и 21. Перед обработкой трубную заготовку 2 закрепляют от вращения с помощью 32.
При включении подачи рабочей среды (воздух или масло) во время прямого рабочего хода Sп, рабочая среда подается по единому трубопроводу 33 через левый реверсивный кран 34 и далее по каналу входного люнета 3 через дроссель 29 в единую герметическую полость 27. Одновременно рабочую среду подают через дроссель вращения 31 на турбину 11, создавая крутящий момент на борштанге 6 и усилие резания на режущем инструменте 7. Под давлением рабочей среды происходит перемещение пиноли 5, с помещенной в ней борштангой 6, из входного люнета 3 в глубокое отверстие 1 трубной заготовки 2, где происходит механическая обработка режущим инструментом 7, режущими зубьями 8 и дорнующими зубьями 9. Совмещая по времени продольную подачу и планетарное движение борштанги 6 при вращении режущего инструмента 7 снимают большую часть припуска, одновременно базируясь по обрабатываемой поверхности своими деформирующими зубьями 9 с натягом. Затем режущие зубья 8 увеличивают его размер до получистового диаметра, с размером, необходимым для поверхностной пластической деформации (ППД). Этим приемом устраняют погрешности формы глубокого отверстия после черновой механической обработки, возникающие от износа режущего инструмента 7 и его погрешности наладки. Затем дорнующие зубья 9 калибруют глубокое отверстие 1 в окончательный чистовой размер на всей длине трубной заготовки до выхода в выходной люнет 4. Давление при подаче рабочей среды сохраняют на протяжении всего прямого рабочего хода.
После переключения подачи рабочей среды по каналу выходного люнета 4 в герметичную полость 28, при помощи правого реверсивного крана 35 и дросселя 30, затем выполняют обратный рабочий ход Sпо, осуществляя повторное дорнование обрабатываемого глубокого отверстия 1. Отключают давление после того, как пиноль 5 выходит в исходное положение во входной люнет 3.
Возможно применение подачи 0,5-1 мм/об при растачивании резцами с обычной геометрией. Такая подача не является оптимальной для протягивания и дорнования, однако при совмещенной обработке вполне приемлема. Увеличение производительности возможно при подаче до 5 мм/об, рекомендуемой при растачивании резцами с широкой зачищающей режущей кромкой. Такая подача будет более соответствовать применяемой для режуще-деформирующих протяжек. Рекомендуемые припуски при обработке отверстий в трубных заготовках назначают для двух вариантов обеспечения требования к прямолинейности оси отверстия.
При обработке деталей с большой толщиной стенки, рассмотренные оптимальные параметры необходимо скорректировать.
-0,2
+0,2
Например, дорнование трубных заготовок (d×D×1=69,6×90,4×2500…4000 мм, шероховатость внутреннего диаметра Ra 1,25; материал - сталь ШХ15СГ-Ш) производят с силой P=285-300 кН; натяг i=0,9-1,4 мм, скорость дорнования v=12-15 м/мин, смазочный материал - машинное масло с дисульфидом молибдена. Сила, H, при дорновании:
1
P=P∑B,
1
где P - сила на 1 мм длины дорна, H, зависящая от обрабатываемого материала и натяга;
∑B - периметр резания, мм.
P=71·174000…278400=285…300 кН.
Технико-экономический эффект от применения станка создается в расширении технологических возможностей станка, обеспечивающих уменьшение габаритов станка при сохранении возможностей повышения производительности контурным фрезерованием и точности - внутренним шлифованием.
Для заявленной полезной модели в том виде, как она охарактеризована в формуле, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами.
Таким образом, заявленное устройство, за счет уменьшения габаритов оборудования для растачивания, позволяет сократить занимаемые площади и совместить процессы более производительного контурного фрезерования с улучшением стружкоделения путем получения мелкосыпучей стружки и более точного способа планетарного шлифования глубоких и прерывистых отверстий.