Прогрессивная технология растачивания отверстий в трубах из непрецизионных заготовок

обработки. Диапазоны варьирования факторов (например, скорости резания — 90-180 м/мин) и условия обработки для практического применения зависимости описаны выше.

Выводы

Таким образом, создана математическая модель, описывающая закономерности формирования шероховатости при точении с ОПД по обрабатываемой поверхности. Регрессионный анализ позволил выявить характер зависимости функции отклика и величину влияния на нее каждого фактора. Предложена формула для расчета среднего арифметического отклонения профиля Яа, расширяющая возможности применения способа резания с ОПД в практике механической обработки.

Литература

1. Пат. № 2399460 Российская Федерация. МПК В 23 В 1/00. Способ обработки деталей резанием

с опережающим пластическим деформированием / Ю. Н. Полянчиков, П. А. Норченко, Д. В. Крайнев и др.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет». № 2009111702/02, заявл. 30.03.2009; опубл. 20.09.2010. Бюл. № 26. 6 с.

2. Полянчиков Ю. Н., Крайнев Д. В., Норченко П. А. и др. Улучшение параметров шероховатости при обработке резанием с опережающим пластическим деформированием // Вестник Сара-товск. гос. техн. ун-та. 2010. № 1. С. 67-71.

3. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник / Я. Л. Гуревич, М. В. Горохов, В. И. Захаров и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 240 с.

4. Ярославцев В. М. Точение с опережающим пластическим деформированием: Учеб. пос. по курсу «Технология машиностроения». М.: Изд-во МГТУ, 1991. 38 с.

5. Чигиринский Ю. Л., Чигиринская Н. В., Быков Ю. М. Стохастическое моделирование в машиностроении: Учеб. пос. Волгоград: ВолгГТУ, 2002. 68 с.

6. Евдокимов Ю. А., Колесников В. И., Тете-рин А. И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. М.: Наука, 1980. 228 с.

УДК 621.9.02

Прогрессивная технология растачивания отверстий в трубах из непрецизионных заготовок

и. Ф. звонцов, А. С. рассказов, П. П. Серебреницкий, Г. в. Филиппов, и. в. Филиппов

Актуальность исследования

Повышение производительности изготовления, качественных и эксплуатационных характеристик изделий, имеющих в своем составе цилиндры различного назначения, является актуальной задачей машиностроительных заводов самых разных профилей. В ряде случаев все качественные характеристики таких изделий во многом определяются использованными в них цилиндрами. Это относится к цилиндрам скважинных штанговых насосов для нефтедобывающего комплекса, к корпусам гидро- и пневмоци-линдров изделий разного назначения, к цилиндрам систем гидроподъемников и манипуляторов, к цилиндрам изделий специального назначения и др.

Непрецизионные трубы (горячекатаные, холодно- и теплодеформируемые) являлись

и являются основными заготовками для производства цилиндров, особенно цилиндров насосов для нефтедобычи. Однако в последнее время наметилась тенденция перехода к использованию высокоточных, прецизионных труб, в частности зарубежного производства, — заготовок, которые по стоимости более чем на порядок дороже непрецизионных труб. Кроме того, при разрезе на мерные части после обработки происходит значительная деформация концов этих заготовок, часто приводящая к необходимости проведения операции правки. Следовательно, использование прецизионных заготовок ограничивается их высокой стоимостью и достаточно частой необходимостью доработки.

Использование в производстве непрецизионных заготовок резко снижает затраты на металл, но требует применения сложной технологии получения точного прямолинейного

отверстия. К сожалению, существующие технологии изготовления цилиндров из непрецизионных заготовок, имеющих достаточный припуск на механическую обработку, отличаются очень высокой трудоемкостью и сложностью. Так, основное время только механической обработки отверстия цилиндра диаметром 43 мм и длиной 4500 мм может составлять 90 мин и более, причем для нее потребуется применить несколько различных операций.

Материалы и методы

Разработана прогрессивная технология механической обработки цилиндров из стали 38Х2МЮА (ГОСТ 4543-71) с внутренним диаметром 32, 44, 57, 70, 95 мм, длиной от 2800 до 6300 мм из непрецизионных заготовок, которые предполагается использовать для цилиндров скважинных штанговых насосов для нефтедобычи. К этим цилиндрам предъявляются повышенные требования по точности отверстия (-0,01; +0,03 мм), по шероховатости (Яа = 0,32 мкм, после азотирования) и отклонения от прямолинейности оси обработанного отверстия. Последнее требование является главнейшим для рассматриваемых деталей, поскольку его соблюдение необходимо для условий надежного функционирования жесткого плунжера насоса в цилиндре. После механической обработки внутренняя поверхность отверстия азотируется на глубину 0,4-0,5 мм, обеспечивается твердость поверхностного слоя НИА > 80.

Для производственного эксперимента были выбраны трубы — заготовки диаметрами 45 х 7, 60 х 9, 76 х 9, 89 х 10, 121 х 14 мм (наружный диаметр х толщина стенки) длиной 6000 мм. Для качественного ведения процесса заготовки должны быть проконтролированы и отобраны по следующим параметрам:

• искривление оси заготовки — не более 0,3-0,5 мм/п.м. При необходимости перед поставкой на обработку проводится правка заготовок с обеспечением искривления их оси в заданных пределах;

• предельные отклонения по толщине стенки — не более ±5,5 %.

Маршрутный технологический процесс механической обработки отверстий цилиндров включает следующие операции:

• токарную операцию:

подрезку торцов в размер длины цилиндра;

образование внутренних фасок;

проточку шеек под ролики люнетов;

проточку шейки под направляющую

втулку маслоприемника;

проточку шейки под кулачки патрона передней бабки горизонтально-расточного станка и шейки под направляющую втулку для головки предварительного растачивания отверстия цилиндра;

• предварительное растачивание отверстия — формирование прямолинейного канала цилиндра с отклонениями от прямолинейности не более 0,02-0,03 мм на длине цилиндра и диаметральным размером отверстия ((¿н - 0,5)+0'05 мм, где — номинальный диаметр отверстия готового цилиндра;

• чистовое растачивание (формирование канала цилиндра диаметром dн ±0,01 мм);

• азотирование (шахтное с вертикальной схемой подвески цилиндров в кассетах или ионное);

• алмазное хонингование после азотирования (формирование отверстия цилиндра диаметром dн + (0,03...-0,01) мм, с шероховатостью поверхности Яа < 3,2 мкм);

• контроль обработанного отверстия (контроль качества отверстия цилиндра, измерение параметров отверстия в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с шагом 60 мм по всей длине цилиндра и оформление технического паспорта на цилиндр);

• токарные операции:

внутренние расточки с торцов на длину I, мм;

нарезание резьбы наружной и внутренней;

образование наружного рифления и др. В рассматриваемой технологии соблюдение требований по прямолинейности оси отверстия, точность отверстия и шероховатость под азотирование обеспечиваются двумя совершенными и производительными процессами растачивания. Эти операции выполняются на горизонтально-расточных станках токарного типа по определенной схеме, с конкретным набором элементов технологической оснастки, в соответствии с определенными режимами обработки и последовательностью исполнения определенных этапов.

Подготовка заготовки

Для растачивания отверстия заготовки должны быть подготовлены (рис. 1). Размер под шейки (диаметр dш) обеспечивается при минимальном снятии материала и с учетом качества наружной поверхности заготовки. Ширина шеек зависит от размеров роликов используемого люнета. Размеры под направляющие элементы так же должны соответствовать dш. Несоосность всех поверхностей с dш — не более 0,05 мм. Цилиндрическая шейка (слева) длиной 1000 мм предназначена для кулачков

Рис. 1. Эскиз заготовки

патрона и направляющей втулки под расточную головку. Отклонение от перпендикулярности торца и оси отверстия заготовки — не более 0,04 мм.

Технологическая оснастка для растачивания отверстий подбирается в соответствии с видом и параметрами используемого станка. В частности, для этих операций могут быть применены серийные горизонтальные свер-лильно-расточные станки Рязанского станкостроительного завода (рис. 2). Для скоростного растачивания труб по предлагаемой технологии станки должны быть снабжены соответствующей оснасткой.

Стебли для крепления расточных головок должны иметь соответствующую длину и диаметр. Для отверстий цилиндра диаметром 31, 42, 56, 69, 93 мм диаметры стеблей будут 28, 38, 50, 65, 85 мм соответственно.

Маслоприемник (рис. 3) устанавливается в передней стойке станка и стыкуется с заготовкой. В предложенной схеме предварительного растачивания подача СОЖ 5 во время работы станка осуществляется через масло-приемник. От насосной станции СОЖ подается в штуцер 6. Далее СОЖ через полость корпуса по зазору между стеблем и поверхностью отверстия поступает навстречу расточной

головке, которая работает на растяжение. Маслоприемник имеет пластинчатое уплотнение 4 (в улучшенном варианте применены лабиринтные уплотнения), тарельчатые пружины 8 компенсации продольных температурных деформаций заготовки, вращающуюся направляющую втулку 7, стыкуемую с переходником 2. Соединение втулки 9 с маслоприемником исполняется в виде конусного соединения с конусностью (обычно 1 : 10). Переходник 2 совмещается с направляющим цилиндрическим участком заготовки 1, применяется уплотнение 3.

В переходнике 2 имеется точное отверстие чистовым диаметром Дч = +0,08; +0,05 мм. Для операции предварительного растачивания оно не имеет значения, так как применяемая расточная головка по конструкции имеет заднее направление и в отверстие выходит резцовый блок меньшего диаметра. Для чистового растачивания отверстие диаметром -Оч переходника 2 играет роль приемной направляющей втулки для головки на завершающем этапе операции. Она используется при выполнении чистового прохода головкой чистового растачивания при переднем размещении направляющих головки. Указанное обеспечивает сокращение времени на подна-ладку станка, поскольку позволяет сразу после предварительного растачивания выполнять чистовое растачивание.

Расточная головка для предварительного растачивания (рис. 4) работает на растяжение с задним размещением направляющих шпонок 5 (твердосплавные пластины в колодках 6). Колодки 6 размещены равномерно по окружности в пазах корпуса 1. Внутри корпуса установлен клин 4, на скосы которого опираются соответствующие выступы колодок 6. Клин находится под воздействием пластинчатой пружины 3, усилия поджатия

13 12 11 10 9

Рис. 2. Схема наладки горизонтально-сверлильного станка на растачивание цилиндров: 1 — трехкулачковый патрон; 2 — люнет; 3 — заготовка; 4 — СОЖ; 5 — стебель; 6 — стеблевой люнет; 7 — каретка подач; 8 — стружкоприемник; 9 — передняя стойка; 10 — маслоприемник; 11 — станина; 12 — поддон для стружки; 13 — передняя (шпиндельная) бабка

1

2

3

5

6

7

8

Рис. 3. Маслоприемник

А — А

12 3 4

Рис. 4. Расточная головка для предварительного растачивания на диаметр 43,5 мм

которой регулируется гайками 2, размещенными в резьбе отверстия корпуса 1. При работе головки в отверстие 9 корпуса вставляется резцовый блок, который фиксируется в пазу винтами 7 и ромбическим пальцем 8 для предотвращения смещения в радиальном направлении. Корпус головки имеет на правом конце двухзаходную прямоугольную резьбу для соединения головки со стеблем.

При наладке головки к работе шпонки 5 шлифуются в сборе, при этом вместо пружины 3 ставится жесткая втулка.

Резцовый блок (рис. 5) состоит из корпуса 2 и двух твердосплавных напайных пластин 1 с маркой твердого сплава Т15К6 или ТТ10К8Б. В блоке выполнено отверстие диаметром 10Н7 для его фиксации на ромбическом пальце расточной головки. Блок

8

5

6

Рис. 5. Резцовый блок для предварительного растачивания

работает по методу деления толщин среза, то есть режущие кромки располагаются на одном конусе с вершиной, проходящей через ось блока, а следовательно, и через ось расточной головки и ось шпинделя станка. Инструмент является теоретически уравновешенным по действию радиальных составляющих сил резания при равномерном снятии припуска. Практически такого равновесия нет, так как во время операции предварительного растачивания почти всегда будет иметь место неравномерное снятие припуска, а следовательно, и неравенство радиальных составляющих сил резания, действующих на резцовые пластины. При этом расточной блок не меняет своего положения, так как направляющие строго ведут головку по поверхности направляющей втулки (в начальном периоде обработки) и по поверхности обработанного канала цилиндра-заготовки за счет радиального натяга по направляющим, создаваемого при настройке головки. Разработанная конструкция расточного инструмента обладает уникальной способностью формировать высокоточное прямолинейное глубокое и сверхглубокое отверстие в длинномерных заготовках при L/d > 470, где L — длина заготовки; d — диаметр обрабатываемого отверстия.

Направляющая втулка для расточной головки (рис. 6) является одним из оригинальных устройств в системе технологической оснастки для чернового растачивания. Эта втулка обеспечивает точное начальное направление головки в момент захода без наличия заправочного отверстия в трубе — заготовки. С одной стороны, это резко сокращает общее время работ по подготовке заготовки (нет необходимости выполнять с торца заготовки заправочное отверстие, точно соосное

3 4

Рис. 6. Направляющая втулка для расточной головки предварительного растачивания:

dр — диаметр резца

с шейками под люнеты), а с другой — время на настройку операции чернового растачивания, повышается точность настройки и стабильность процесса врезания расточного блока — начало растачивания. Предварительное растачивание по предлагаемой технологии ведется по схеме работы стебля на растяжение, когда настройка и заправка инструмента проводятся в крайне стесненных условиях, через окна патрона-горшка.

На корпусе 1 направляющей втулки размещена втулка 3 с конусной расточкой и смонтированными тремя кулачками 4, обеспечивающими самоцентрирование втулки на цилиндрической части трубы — заготовки 5. Радиальное смещение кулачков, а следовательно, жесткое скрепление элемента с заготовкой осуществляются при осевом смещении втулки 3 гайками 2.

Перед соединением направляющей втулки с заготовкой на специальном приспособлении расточная головка (хвостовиком вперед) с вставленным резцовым блоком (база по расточке отверстия dр) входит в заготовку с диаметром dр. Естественно, шпонки головки вводятся в отверстие с необходимым натягом. В приспособлении имеется элемент, имитирующий стебель, поэтому после установки головки в отверстие направляющей втулки обеспечивается строгое положение втулки 1 и хвостовика головки относительно стебля.

В собранном положении сборка (головка во втулке) навинчивается на выдвинутый за торец обрабатываемого изделия стебель. В дальнейшем с помощью кулачков производится соединение (закрепление) втулки с заготовкой и головка хорошо центрируется относительно трубы-заготовки. Естественно, радиальное усилие на кулачках должно быть достаточным для исключения проворачивания направляющей втулки при вращении заготовки от контактного взаимодействия направляющих расточной головки и поверхности направляющей втулки.

Специальный патрон-горшок с окнами (рис. 7) обязателен к применению на станке при использовании данной технологии. Патрон-горшок 2 крепится к торцу шпинделя 1 станка, а спереди патрона-горшка закрепляется трехкулачковый самоцентрирующий патрон 3. Трехкулачковый патрон должен обеспечить закрепление трубы-заготовки по ее обточенной поверхности, причем с точностью по биению не более 0,03 мм. Для обеспечения более высокой точности позиционирования базовых элементов патрона рекомендуется растачивать кулачки патрона

1

2

5

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

МЕТ^^БРД^К)!

Рис. 7. Специальный патрон-горшок с окнами

в сборе (после предварительного позиционирования трехкулачкового патрона) с помощью резцов консольной оправки, закрепленной в маслоприемнике, или специального суппорта маслоприемника.

Головка для чистового растачивания (рис. 8) состоит из корпуса 1, направляющих 4 с твердосплавными пластинами марки ВК8, опирающихся на клин 5, пружины 6, регулировочных винтов 7 и стопорной шайбы 8. От выпадения направляющие удерживаются планками 2 и винтами 3. При шлифовании направляющих в сборе в передней части устанавливается жесткий упор 10, а вместо пружины — мерная втулка 9. После шлифования упор вынимается из головки, пружина ставится на место втулки. В корпусе головки

1 2 3

выполнено точное окно под плавающую пластину. На правой стороне корпуса оформлены две точные цилиндрические ленточки и прямоугольная двухзаходная резьба для соединения головки со стеблем. Направляющие расточной головки выполняют те же функции, что и направляющие головки для предварительного растачивания, поэтому величина натяга по направляющим определяется по параметрам упругой технологической системы и режимам резания.

Пластина для чистового растачивания (рис. 9) состоит из двух полупластин 1 и 3 с напаянными твердосплавными пластинами (марки Т15К6 или ТТ10К8Б) и корпуса 5. Регулирование на размер по мере износа режущей части производится винтами 4, а фиксация — винтами 2. После регулирования пластины необходимо производить ее правку (заточку) с получением требуемой геометрии.

При предварительном и чистовом растачивании труб с использованием рассмотренной оснастки следует соблюдать строго фиксированные переходы, определяющие установку и крепление заготовки, закрепление, выверку и наладку инструмента, фиксацию режимов обработки, строго установленную последовательность подключения в работу узлов станка, контроль протекания процесса и т. п. Некоторые результаты работ по растачиванию труб по предлагаемой технологии приведены в табл. 1-3.

А — А

4 5 6 7 8

1

2

3

9

Рис. 8. Головка для чистового растачивания на диаметр 44,0 мм

Таблица 1

Параметры отверстий в цилиндрах из непрецизионных заготовок после предварительного растачивания

Диаметр отверстия детали (заданный), мм Длина трубы, мм Наружный диаметр заготовки, мм Диаметр отверстия в заготовке, мм Диаметр отверстия детали после предварительного растачивания, мм Отклонение от прямолинейности оси обработанного отверстия, мм/п.м

32 (-0,01; +0,03) 4700 45 31 31,5 + 0,05 0,012

44 (-0,01; +0,03) 6100 60 42 43,5 + 0,05 0,011

57 (-0,01; +0,03) 6100 76 54 56,5 + 0,05 0,010

70 (-0,01; +0,03) 6100 89 69 69,5 + 0,05 0,012

95 (-0,01; +0,03) 6300 121 93 94,5 + 0,05 0,012

Таблица 2

Режимы обработки при предварительном растачивании

Диаметр отверстия детали (заданный), мм Длина, мм Режим Машинное время Тмаш, мин

Припуск на сторону, мм Подача, мм/об Скорость резания, м/мин

32 (-0,01; +0,03) 4700 0,25 1,5 98,9 3,13

44 (-0,01; +0,03) 6100 0,75 1,2 92,9 7,50

57 (-0,01; +0,03) 6100 1,25 1,0 104,2 10,20

70 (-0,01; +0,03) 6100 0,25 1,1 93,4 11,10

95 (-0,01; +0,03) 6300 0,75 1,0 103,2 18,00

Таблица 3

Режимы обработки при чистовом растачивании отверстий цилиндров

Диаметр отверстия детали, мм Длина, мм Режим Машинное время Тмаш, мин

Номинал После предварит. растачивания Припуск на сторону, мм Подача, мм/об Скорость резания, м/мин

32 31,5 4700 0,25 2,5 120,6 1,60

44 43,5 6100 0,25 2,4 124,3 2,80

57 56,5 6100 0,25 3,0 121,7 3,00

70 69,5 6100 0,25 3,5 120,9 3,16

95 94,5 6300 0,25 4,5 119,3 3,50

Выводы

Разработанная технология растачивания успешно решает задачу получения точных отверстий в трубах-цилиндрах с диаметрами широкого диапазона и длиной более 6000 мм с высокой эффективностью. Технология позволяет использовать в производстве цилиндров непрецизионные заготовки (горячекатаные, холодно- и теплодеформированные), что обеспечивает значительный экономический эффект по сравнению с технологиями, в основу которых положено правило использования прецизионных заготовок. Технология является универсальной, ее можно эффективно применять для обработки отверстий в любых заготовках — трубах, в том числе прецизионных трубах, и любых деталях типа тел вращения после получения в них отверстий глубоким сверлением.

Операция предварительного растачивания на растяжение непрецизионных заготовок решает проблему экономически выгодного получения более качественного отверстия в заготовке по сравнению с отверстием прецизионной

заготовки, получаемым по имеющейся технологии. Данная операция обеспечивает величины отклонений от прямолинейности оси обработанного отверстия, не превышающие величин 0,012 мм/п.м.

После операций чистового растачивания имеет место стабильное получение диаметров отверстия с отклонением от номинального размера ±0,01 мм. Отклонение геометрической формы находится в этих же пределах.

Операции предварительного растачивания считаются высокоскоростными, машинное время на обработку трубы длиной более 6000 мм составляет 7-18 мин. То же самое касается операций чистового растачивания: машинное время на обработку трубы длиной более 6000 мм составляет 2,0-3,5 мин.

Предлагаемая технология растачивания обеспечивает все параметры обработанного отверстия для проведения процесса азотирования поверхности отверстия. Она может быть также с успехом применена в технологиях ремонта труб-цилиндров скважинных насосов для нефтедобывающей промышленности.