Способ механической обработки глубокого отверстия в трубной заготовке
METHOD OF DEEP HOLE MACHINING IN TUBULAR BILLET

Изобретение относится к станкостроению, в частности к способам механической обработки глубоких отверстий в трубных заготовках с применением металлорежущих станков и фрез для вихрефрезерования методом винтовой интерполяции.
Может использоваться для осуществления процессов совмещенной механической обработки особо высокой точности путем совмещения растачивания, прошивания с дорнованием глубоких отверстий в длинномерных трубах на малогабаритных станках, например, при обеспечении требований к точности отверстий по ТУ14-3-/941/-94.
Известен способ чистового растачивания на растяжение, осуществляемый головкой стебля, жестко закрепляемой в стебле и базирующейся по поверхности механически обрабатываемого глубокого отверстия трубной 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.). Способ осуществляется головкой с регулируемыми направляющими и предусматривает приемы, при которых обрабатываемая деталь устанавливается и выверяется на станке, а расточная головка (без пластины) жестко закрепленная в стебле, вводится на всю длину задних направляющих шпонок. Данный способ скоростного чистового растачивания предполагает работу стебля на растяжение при его обратном рабочем ходе. Прямой ход стебля остается холостым.
Недостаток способа в необходимости применения с головкой и длинного стебля, общая длина которых равна или больше длины обрабатываемого отверстия, что приводит к большим длинам устройств и металлорежущих станков для осуществления способа растачивания.
Существует способ растачивания глубоких отверстий расточными головками с самоустанавливающимися направляющими шпонками, при котором отпадает надобность в установке направляющих шпонок на требуемый размер перед началом каждого прохода через отверстие (Кирсанов С.В., Гречишников В.А., Схиртладзе А.Г., Кокарев В.И. «Инструменты для обработки точных отверстий». - М., Машиностроение, 2003. 330 с.). В таком процессе растачивание ведется и на сжатие, и на растяжение, то есть без потери времени на холостые ходы.
Недостаток способа в необходимости применения с головкой и длинного стебля, общая длина которых равны или больше длины обрабатываемого отверстия, что приводит к большим длинам станков и устройств для осуществления способа растачивания глубоких отверстий.
Известен способ растачивания при варианте конструкции головки с самоустанавливающимися направляющими, имеющими восемь направляющих шпонок, расположенных в двух рядах по четыре шпонки в каждом (Минков М.А. «Технология изготовления глубоких точных отверстий» - М., Л.: Машиностроение, 1965. 176 с.). При этом возможно использование головки с регулируемыми направляющими шпонками, которая имеет направляющие шпонки из текстолита, расположенные по окружности впереди и сзади плавающей пластины, закрепленные в колодках.
Недостаток способа в необходимости предварительной обработки поверхности обрабатываемого глубокого отверстия под переднее направление.
Известен способ растачивания с использованием инструмента для обработки отверстий диаметром 40…380 мм и глубиной до 4000 мм в гильзах пневмо и гидроцилиндров представляется фирмой Sandvik Coromant (Швеция) (Каталог фирмы Sandvik Coromant, 2010, (http://www.coromant.sandvik.com). При прямом ходе инструмента осуществляется растачивание отверстия плавающим двухлезвийным расточным блоком, оснащенным твердым сплавом. После окончания растачивания включается обратная подача инструмента для осуществления пластической деформации поверхности обработанного отверстия.
Недостатком такого способа является необходимость предварительной обработки поверхности обрабатываемого глубокого отверстия под переднее направление.
Описан способ вихревого нарезания резьбы (Косарев Д.В. Повышение точности формообразования внутренних резьб фрезами с твердосполавными пластинами при планетарном движении инструмента; автореф. дис. … канд. техн. наук / Д.В. Косарев СамГТУ; Станкин. - Москва, 2010.), представляющий собой скоростное фрезерование вращающимися резцами. В современной технической литературе данный способ отмечается, как способ обработки резьбы с планетарным движением инструмента, обеспечивающий хорошее деление стружки.
Однако способ не предназначен для обработки глубоких отверстий, а отсутствие в известной конструкции механизма планетарного движения обуславливает невозможность работы станка с большими подачами и повышенным съемом объема металла в единицу времени.
Известен способ растачивания глубоких отверстий и устройство для его осуществления (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.).
Данный способ обработки глубоких отверстий в трубных заготовках, включает применение устройства, 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 и привод подачи, при котором совмещают процессы растачивания и режуще-деформирующего протягивания, устанавливая обрабатываемую трубную заготовку между входным и выходным втулками - люнетами соосно с ними, а механическую обработку осуществляют пинолью с установленной в ней борштангой с резцом, привод вращения которой выполнен в виде пневматической турбины, а привод подачи в виде гидроцилиндра с поршнем, воздействующем на пиноль, снабженную пустотелой режуще-деформирующей прошивкой, причем при осуществлении способа пиноль устанавливают перед обработкой глубокого отверстия базируют в исходном положении во входной втулке-люнете, затем включают рабочую подачу, перемещают пиноль в отверстие заготовки и растачивают, базируясь своими деформирующими зубьями вначале по поверхности входной втулки-люнета а затем по поверхности обрабатываемого отверстия, при этом расточной резец устанавливают впереди режуще-деформирующей прошивки и растачивают отверстие начерно, а режущие зубья прошивки увеличивают его размер до диаметра, необходимого для поверхностной пластической деформации и устраняют погрешности растачивания, возникающие от износа резца и его наладки, а дорнующие зубья калибруют отверстие в окончательный размер, а по окончании рабочего хода пиноль перемещают полностью в выходную втулку и затем выполняют обратный рабочий ход, при котором прошивкой повторно калибруют обработанное отверстие и выводят в исходное положение во входную втулку-люнет.
Недостаток способа в недостаточной экономичности, обусловленной значительными габаритами металлорежущего станка и его механизмов приводов подачи и вращения инструментов, которые обуславливают значительные габариты устройства и, соответственно, занимаемую производственную площадь, что в конечном счете, приводит к увеличению затрат на выполнении операции механической обработки глубокого отверстия. Также способ не позволяет увеличить осевую подачу режущего инструмента для повышения производительности обработки глубоких отверстий.
Наиболее близким является способ механической обработки глубокого отверстия в трубной заготовке, при котором обработку осуществляют устройством, содержащем борштангу с режущим инструментом (фрезерной головкой), расположенную на эксцентричных подшипниках в пиноли с режущими и дорнующими зубьями, снабженной передней и задней крышками, которую базируют перед подачей рабочей среды в исходном положении, при этом перед началом обработки на входе в глубокое отверстие трубной заготовки выполняют расточку длиной не менее длины пиноли, для базирования пиноли в исходном положении перед подачей рабочей среды, а на торцах трубной заготовки устанавливают левую и правую заглушки с дросселями и, посредством резьбовых поверхностей, фиксируют их по резьбе, предварительно нарезанной по наружной поверхности на концах трубной заготовки, создавая единую герметичную полость, для осуществления прямого рабочего хода рабочую среду подают через дроссель левой заглушки до выхода пиноли к правой заглушке, совмещая вращательное и поступательное движения борштанги с ее планетарным движением вокруг оси пиноли, совмещая процессы растачивания, протягивания и дорнования глубокого отверстия, а для обратного рабочего хода рабочую среду подают через дроссель правой заглушки, обеспечивая повторное дорнование обрабатываемого глубокого отверстия (Пат. 2563401 РФ, МПК В23В 35/00, 2015).
Способ не позволяет увеличение осевой подачи режущего инструмента и повышения на этой основе производительности обработки глубоких отверстий. Кроме этого в способе отсутствует возможность повышения точности и износостойкости в условиях применения повышенных осевых подач.
Задачей является разработка способа механической обработки глубокого отверстия в трубной заготовке, обеспечивающего сокращение времени подготовки производства трубных заготовок.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности механической обработки отверстий трубных длинномерных заготовок.
Технический результат достигается в способе механической обработки глубокого отверстия в трубной заготовке, при котором обработку ведут устройством, содержащем борштангу с режущим инструментом, расположенную на эксцентричных подшипниках в пиноли с режущими и дорнующими зубьями, и осуществляющую поступательное и вращательное движение, при этом во время прямого рабочего хода совмещаются процессы растачивания, протягивания и дорнования глубокого отверстия, а во время обратного рабочего хода осуществляется повторное дорнование обрабатываемого глубокого отверстия, причем осуществляют дробную подачу режущего инструмента, состоящего из двух дисковых модульных фрез, установленных на борштанге на расстоянии друг от друга, соответствующем 1,3-1,7-кратному шагу нарезаемой резьбы так, что нарезание впадин передней фрезой и срезание витка последующей фрезой осуществляется за один прямой рабочий ход, а ширина цилиндрической части режущей кромки второй фрезы определяется как разница между шагом нарезаемой резьбы и шириной цилиндрической части режущей кромки первой фрезы.
Способ механической обработки глубокого отверстия в трубной заготовке характеризуется тем, что дисковые модульные фрезы режущего инструмента устанавливают под углом не более 2° к оси обрабатываемого отверстия.
Сущность способа заключается в дробной подаче режущего инструмента (например, набора дисковых модульных фрез или червячной зуборезной фрезы), 1,3-1,7 кратной его осевого шагу, в результате чего в процессе фрезерования отверстия след от ширины режущей кромки передней (первой) дисковой фрезы перекрывают шириной режущей кромки следующей за ней, второй дисковой фрезы, ширина режущей кромки которой определяется как разница между шагом нарезаемой первой фрезой резьбы и шириной режущей кромки первой фрезы.
Для этого, в процессе наладки набора фрез (первой и второй) режущего инструмента, между ними устанавливают дистанционное кольцо, координирующее расположение фрез относительно друг друга вдоль оси оправки, так, чтобы нарезание впадин и срезание витка передней и последующей фрезами происходили за один прямой рабочий ход.
Таким образом, в отверстии нарезают впадину резьбы и одновременно срезают нитку витка так, что при снятии всего припуска на обработку отверстия образуется цилиндрическая поверхность отверстия.
Кроме этого, для образования задних углов на вспомогательных режущих кромках дисковых фрез и снижения износа по наружной поверхности фрез, их ось с борштангой располагают под углом (не более 2°) к оси обрабатываемого отверстия. При этом нарезание одной нитки резьбы и срезание ее витка происходит за 1 оборот борштанги вокруг оси обрабатываемого отверстия.
В результате этого образуется полный цилиндрический профиль обработанного отверстия по всей его окружности.
Повышение производительности обработки отверстий обеспечивают делением припуска и ускоренной подготовкой производства за счет применения набора стандартных дисковых модульных фрез и простыми дистанционными кольцами (втулками), что позволяет сохранить надежное стружкоделение и обеспечить дополнительно деление припуска вдоль оси обрабатываемого отверстия, что особенно важно для повышения как производительности, так и стружкотвода при обработке легированных и подшипниковых сталей марки ШХ в длинномерных трубных заготовках.
Изобретение иллюстрируется фиг. 1, на которой показана схема деления припуска вдоль оси обрабатываемого отверстия трубной заготовки, и фиг. 2, на которой показана схема формообразования цилиндрической поверхности при смещении второй фрезы на длину (L) дистанционного кольца.
При наладке набора фрез - передней (первой) 1 и последующей (второй) 2 фрез, помещенных на оправке 3 и образующих с ней сборный режущий инструмент, между ними устанавливают дистанционное кольцо 4 длиной L. Фрезы 1 и 2 устанавливаются на расстоянии кратном шагу (Р) нарезаемой фрезой 1 резьбы с кратностью, соответствующей 1,3-1,7, под углом не более 2° к оси обрабатываемого отверстия, что обеспечивает возможность регулирования осевого смещения оправки 3 и получения за счет этого тонкого изменения радиуса вращения режущих кромок и снимаемого фрезами 1 и 2 припуска, получая точный размер обработанной ими поверхности 10. Увеличивать этот угол до больших пределов нецелесообразно, т.к. это может привести к увеличению значений отклонений профиля и микронеровностей 13 поверхности 10.
1
2
После этого фрезы фиксируются шайбой 5 и контргайками 6. Ширина (В) цилиндрической части режущей кромки 7 второй дисковой фрезы 2 определяется как разница между шагом (Р) нарезаемой первой фрезой 1 резьбы и шириной (В) цилиндрической части режущей кромки 8 первой фрезы 1.
oc
кр
При осуществлении прямого рабочего хода с осевой подачей S и круговой подачей S, борштанга 9 осуществляет поступательное и вращательное движение, совмещая их с планетарным движением вокруг оси обрабатываемого отверстия 10, выполняя нарезание впадины резьбы 11 передней фрезой 1 и срезание ее витка 12 последующей фрезой 2. Таким образом, выполняют в обрабатываемом глубоком отверстии 10 съем общего припуска, т.е. осуществляют черновую обработку глубокого отверстия 10, в результате которого образуется цилиндрическая поверхность с микронеровностями 13.
ос
oc
Затем режущие зубья пиноли осуществляют получистую обработку, необходимую для последующей поверхностной пластической деформации (ППД) дорнующими зубьями. Этим приемом устраняют погрешности формы глубокого отверстия 10 после черновой механической обработки. После этого (при осуществлении обратного рабочего хода) дорнующие зубья калибруют глубокое отверстие 10, снимая остатки припуска в окончательный чистовой размер на всей длине заготовки до выхода в исходное положение. Коэффициент кратности установки фрез 1 и 2 (K=P/S, где Р - шаг нарезаемой резьбы, S - осевая подача режущего инструмента) определяется из условия срезания витка максимального поперечного сечения второй фрезой.
Таким образом, технический результат обеспечивается за счет новых приемов деления припуска вдоль оси обрабатываемого отверстия, установкой на борштангу режущих фрез, расположенных так, что они образуют режущие и калибрующие кромки со сдвигом их на величину, 1,3-1,7-кратную шагу нарезаемой резьбы в обрабатываемом отверстии, что позволяет срезать весь припуск и тем обеспечить увеличение подачи вдоль оси обрабатываемого отверстия и повышения на этой основе производительности обработки. Кроме этого происходит снижение нагрузки на режущие кромки каждой из фрез путем перераспределения ее (нагрузки) между ними.
Новые приемы заявленного способа при осуществлении механической обработки большой номенклатуры трубных заготовок позволяют обеспечивать повышение производительности обработки отверстий и ускорение подготовки производства трубных заготовок.
Таким образом, способ механической обработки глубокого отверстия в трубной заготовке, при котором обработку ведут устройством, содержащем борштангу с режущим инструментом, состоящим из двух дисковых модульных фрез с шириной цилиндрической части режущей кромки второй фрезы равной разнице между шагом нарезаемой резьбы и шириной цилиндрической части режущей кромки первой фрезы, установленных на расстоянии друг от друга, соответствующем 1,3-1,7 кратному шагу нарезаемой резьбы, под углом не более 2° к оси обрабатываемого отверстия, расположенную на эксцентричных подшипниках в пиноли с режущими и дорнующими зубьями, и осуществляющую поступательное и вращательное движение, при этом во время прямого рабочего хода осуществляется нарезание впадин передней фрезой и срезание витка последующей фрезой, и совмещаются процессы растачивания, протягивания и дорнования глубокого отверстия, а во время обратного рабочего хода осуществляется повторное дорнование обрабатываемого глубокого отверстия обеспечивает повышение производительности механической обработки отверстий трубных длинномерных заготовок.