НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.9.04

МГТУ им. Н.Э. Баумана

zoubkovn@bmstu.ru

Гранные отверстия под ключ в головках крепежных деталей общего машиностроения выполняют по 11 квалитету точности. Если для крупносерийного производства крепежная деталь, включая гранное отверстие, формируется целиком методами пластического деформирования, то формирование гранных отверстий в мелкосерийном производстве нестандартных крепежных деталей осуществляется в настоящее время прошиванием на прессах или электроэрозионной обработкой электродом-инструментом. Уменьшение парка необходимого оборудования, а также повышение производительности изготовления деталей с гранными отверстиями возможно за счет концентрации операций, когда гранное отверстие формируется из предварительно просверленного цилиндрического отверстия на тех же металлорежущих станках, формирующих саму деталь. В работе [1, 2] показано, что придание прошивке качательного движения по круговому конусу с вершиной конуса в центре прошиваемого отверстия, по сравнению с прошиванием на прессах, многократно снижает усилие прошивания. Относительно низкие осевые усилия, что позволяют выполнять операцию формирования гранного отверстия на металлорежущих станках токарной, фрезерной или сверлильной групп, поскольку усилие прошивания укладывается в рамки допустимых для механизмов подач этих станков.

Кинематика любого металлорежущего станка не предусматривает возможности качательного движения инструмента или заготовки. Специальные приспособления, преобразующие вращательное движение шпинделя в качательное движение инструмента достаточны сложны. Предлагается реализовать не абсолютное, а относительное качательное движение за счет совместного вращения инструмента и заготовки при угловом несовпадении осей отверстия и инструмента (рис.1) [1]. Синхронизацию частот вращения проще всего осуществить самовращением одной из пар, т.е. либо прошивка вращает заготовку в приспособлении (для станков фрезерной и сверлильной групп) или заготовка вращает прошивку в приспособлении (для станков токарной группы). Конструкция приспособлений для самовращения не является сложной. Для токарных операций даже возможна реализация метода качающего прошивания вообще без приспособлений. Прошивка, хвостовик которой имеет центровое отверстие, направляется в предварительно просверленную заготовку вращающимся центром задней бабки, которая смещена относительно линии центров станка, чем обеспечивается угловое несовпадение оси отверстия и прошивки и относительное качательное движение.

Относительное качательное движение обеспечивает периодический вывод части режущей кромки прошивки из контакта с заготовкой. Чем меньше активная длина режущей кромки, тем больше снижение осевого усилия. [3]. Величина активной длины режущей кромки зависит от соотношения вертикальной составляющей амплитуды качательного движения точки режущего лезвия и величины подачи инструмента за цикл качания. Чем больше это соотношение, тем меньшая длина периметра режущей кромки в данный момент находится в контакте с заготовкой, и тем большее снижение усилия можно ожидать. Помимо радиального удаления точки режущего лезвия от оси прошивки, наиболее значимым фактором, определяющим вертикальную составляющую амплитуды качательного движения является угол качания. Применительно для схемы самовращения - это величина угла несоответствия оси отверстия с осью инструмента. Очевидно желание минимизировать осевое усилие за счет больших углов качания, однако на величину угла качания существуют ограничения, в первую очередь, из-за неизбежной при качающемся прошивании винтовой формы гранного отверстия. Это объясняется тем, что в каждый момент времени равнодействующая сил резания качающегося инструмента не перпендикулярна оси заготовки, т.е. имеет окружную составляющую. Задняя поверхность качающейся прошивки опирается на обработанную поверхность и является направляющей при формировании гранного отверстия. Чем меньше задний угол прошивки, который обязан быть больше угла качания, тем  больше опора инструмента на обработанную поверхность и лучше функция самонаправления. Т.е. на угол качания существуют ограничения по точности получаемого отверстия.

При анализе параметров качества полученного гранного отверстия варьировались следующие технологические параметры: угол качания прошивки изменялся в диапазоне ε=0...3,0⁰ с интервалом в 0,5⁰; подача на оборот инструмента  S_о=0,05...0,33 мм/об, скорость резания V варьировалась от 0,27 до 5,15 м/мин. Поскольку скоростью резания при качательном прошивании является скорость возвратно-поступательного движения выбранной точки режущей кромки прошивки [3], то она зависит от радиального размера инструмента и частоты относительного качательного движения. Максимальной она будет на периферии режущей кромки (в углах прошивки) и в момент прохождения плоскости качания. Именно эта скорость принималась за скорость резания качающегося прошивания. Обрабатывались отверстия на заготовках из cтали 45 с размером под ключ 10,0 мм с предварительно просверленным отверстием диаметром 9,8 мм.

При обработке гранных отверстий методом качающегося прошивания происходит копирование торцовой проекции формы режущей кромки инструмента на обрабатываемую заготовку. При обязательной необходимости наличия положительного заднего угла  больше угла качания инструмента, не нулевой передний угол  приводит к тому, что как сама режущая кромка, так и ее торцовая проекция будут иметь отклонения сторон режущей кромки от прямолинейности. Для исключения этой погрешности принято использование  инструмента  с нулевым передним углом  = 0^o. Дополнительными преимуществом прошивки с нулевым передним углом является высокая прочность режущего клина, также как и простота заточки и переточки инструмента.

Придание качательного движения инструменту существенно снижает усилие обработки, однако, по сравнению с прошиванием без качания, ухудшается шероховатость поверхности, грани отверстия имеют непараллельность и неплоскостность, имеется разбивка размеров по сравнению с размерами инструмента.

Анализ шероховатости обработанной поверхности показывает, что максимальное влияние на ее величину оказывает подача на оборот S_о прошивки. Угол качания ε оказывает значительно меньшее влияние. В экспериментах при всех применяемых сочетаниях технологических параметров шероховатость обработанных образцов не превышает значения R_a=2,8 мкм, что укладывается в требования по качеству поверхности гранных отверстий под ключ. Профилограмма обработанной поверхности в целом подтвердила теоретическую форму [3], шаг и высоту микронеровностей поверхности, получаемой качающейся прошивкой.

В процессе обработки гранных отверстий методом качающегося прошивания получаемый размер под ключ отверстия на обработанной заготовке отличается от соответствующего размера под ключ на инструменте, которым было обработано это отверстие. Разность размеров под ключ инструмента и обработанного отверстия может быть как положительной, так и отрицательной (рис. 2). Выявлено, что при малых углах качания разбивка Δ является отрицательной, т.е. получаемый на заготовке размер под ключ меньше чем соответствующий ему размер на качающейся прошивке. С увеличением угла качания ε  отрицательное значение разбивки размера под ключ уменьшается, и при угле качания равного ε = 2,8^o разбивка принимает нулевое значение. При дальнейшем возрастании угла качания инструмента разбивка принимает положительные значения.

Установлено, что полученные гранные отверстия имеют прямую конусность, т.е. размер под ключ верхней грани шестигранного отверстия несколько больше аналогичного размера под ключ нижней грани того же отверстия. Анализ конусности показал, что ее максимальная величина составляет не более 0,3^o, что приводит к уменьшению линейного размера по длине отверстия не более, чем на 0,04 мм что более, чем в два раза меньше допуска на размер под ключ крепежных деталей общемашиностроительных деталей.

Как было сказано выше, при придании качательного движения инструменту неизбежно появляется винтовая форма отверстия, которую можно оценить по углу Θ поворота нижней  грани относительно верхней. Установлено, что угол Θ прямо пропорционален углу качания ε, и не зависит от величины подачи на оборот инструмента S_о (рис. 3). Обычно длина шестигранного отверстия  для крепежных деталей составляет 0,4...0,6 от величины размера под ключ. Знание зависимости Θ = f(ε) и допуска на размер под ключ позволяет найти ограничения на угол качания по точности получаемого отверстия. Например, для размера под ключ 10 мм, длине отверстия 6 мм, при допуске на размер по D11 (поле допуска, 90 мкм), угол качания не должен превышать 1,8^o.

Проведенный анализ показал, что при соответствующем ограничении режимных параметров обработки метод качающегося прошивания обеспечивает получение гранных отверстий с параметрами точности, удовлетворяющими требованиям для крепежных деталей общего машиностроения.

Список используемой литературы

1.     Зубков Н.Н., Ломакин А.В. Получение гранных отверстий методом качающейся прошивки // Технология машиностроения – ╧7 – 2008г.  С.13-15.

2.     Зубков Н.Н., Ломакин А.В. Влияние параметров обработки на осевую силу при качающемся прошивании гранных отверстий. Тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции, посвященной 140-летию высшего технологического образования в МГТУ им. Н.Э. Баумана. –М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. –С.56-57.

3.     Ломакин А.В. Кинематика процесса качающегося прошивания // Известия вузов. Машиностроение – ╧2 – 2011г. С.58-67.