Прогрессивные методы обработки глубоких отверстий (стр. 1 )

, , Н. В. Ольштынский

ПРОГРЕССИВНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО

УНИВЕРСИТЕТА

, ,

ПРОГРЕССИВНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ

Монография

РПК «Политехник»

Волгоград

2003

УДК 621.952.002.54

О-82

Рецензенты: заведующий кафедрой «Технология машиностроения и ста-

ндартизация» Волжского института строительства и техноло-

гий д. т. н., профессор ,

заведующий кафедрой «Технология машиностроения» Волгоградского государственного технического университета д. т. н., профессор ,

заместитель технического директора ТК .

, , Прогрессивные методы обработки глубоких отверстий: Монография / ВолгГТУ.– Волгоград, 2003. − 136 с.

ISBN -2

Рассматриваются вопросы обеспечения высокопроизводительной и качественной обработки глубоких отверстий наиболее прогрессивными методами, такими как вихревое резание и центробежное раскатывание. Приводятся теоретические и экспериментальные исследования с математическим моделированием, разработкой алгоритмов, программ и расчетов на ЭВМ с целью разработки современных прогрессивных схем обработки и инструментов. Предлагается алгоритм и блок-схема автоматизированного расчета рациональных параметров центробежного раскатника.

Монография рассчитана на специалистов, конструкторов и технологов машиностроительных предприятий, проектирующих и эксплуатирующих инструменты для обработки глубоких отверстий, а также аспирантов и студентов машиностроительных специальностей.

Илл. 70. Табл. 2. Библиогр.: 101 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN -2

Ó , 2003 Ó 2003 Ó 2003 Ó Волгоградский государственный технический университет, 2003

Научное издание

Ярослав Николаевич Отений,

Николай Яковлевич Смольников,

Николай Васильевич Ольштынский

ПРОГРЕССИВНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ

Монография

Редактирование, корректура

и компьютерная верстка:

,

Темплан 2003 г. Поз. № 000 .

Лицензия ИД № 000 от 01.01.01 г.

Подписано в печать г. Формат 60×84 1/16.

Бумага потребительская. Гарнитура «Times»

Уч.-изд. л. 8,5. Усл. авт. л. 8,31.

Тираж 100 экз. Заказ

Волгоградский государственный технический университет.
Волгоград, пр. им. , 28.

РПК «Политехник»

Волгоградского государственного технического университета

Волгоград, ул. Советская, 35.

Отпечатано в муниципальном унитарном предприятии

«Камышинская типография»

Лицензия ИД № 000 от 01.01.01 г.

Волгоградская обл., 4.

Оглавление

введение…………………………………………………………….	3
глава 1. особенности обработки глубоких отверстий………………………………………….	5
1.1. Методы обработки глубоких отверстий.........................................	5
1.2. Общие представления о производительности и качестве при обработке ппд……………………………………................................	9
1.3. Обзор работ по усилию деформирования……..............................	12
1.4. Шероховатость поверхности, обработанной ппд роликами и глубина упрочнения………………........................................................	17
глава 2. инструменты для обработки отверстий поверхностным пластическим деформированием роликами………………………………………………….	20
2.1. Бессепараторные инструменты для обработки ппд…………....	20
2.1.1. Ротационные инструменты сепараторного типа…………….	23
2.2. Центробежные раскатники……………………………..................	30
глава 3. особенности процесса и пути повышения производительности при резании металлов………………………………………………………………..	34
3.1. Особенности процесса резания………………………...................	34
3.2. Пути повышения производительности процесса резания............	36
3.3. Особенности обработки, расчет параметров инструмента при вихревом растачивании…………..........................................................	41
3.4. Резцовые головки для обработки глубоких отверстий……….....	47
глава 4. геометрия контакта при поверхностном пластическом деформировании……………….	50
4.1. Постановка задачи и общее решение нахождения геометрических параметров контактной зоны…………………………....	50
глава 5. центробежное раскатывание……………….	59
5.1. Выбор и обоснование рациональной схемы компоновки центробежного раскатника…………….......................................................	59
5.2. Определение конструктивных параметров центробежного раскатника………………………………………..........................................	66
глава 6. напряженное состояние в контактной зоне……………………………………………………………………	70
глава 7. исследование взаимосвязи конструктивных параметров деформирующих роликов, геометрии контактной зоны, контактных напряжений и качества обработанной поверхности……………………………………………………………………	76
7.1. Влияющие факторы и диапазон их изменения..............................	76
7.2. Влияние конструктивных параметров деформирующих роликов и глубины их внедрения на геометрию контактной зоны……....	77
7.3. Зависимость глубины упрочнения от параметров деформирующего ролика и диаметра обрабатываемого отверстия…………..	85
7.4. Тепловые потоки и температура в зоне контакта при ппд…….	90
глава 8. экспериментальные исследования центробежных раскатников..............................................	97
8.1. Описание экспериментальной установки для исследования геометрии контактной зоны и усилия деформирования………….....	97
8.2. Экспериментальное определение площади контактной зоны….	100
8.3. Условия испытаний центробежного раскатника.....................................	101
8.4. Результаты экспериментальных исследований…...................................	105
8.4.1. Задачи и особенности проводимых исследований………….....	105
8.4.2. Зависимости глубины внедрения ролика и максимального напряжения в контакте от усилия деформирования…………............	106
8.4.3. Зависимость шероховатости поверхности от величины оборотов центробежного раскатника….....................................................	108
8.4.4. Зависимость глубины упрочнения от частоты вращения центробежного раскатника…………………...............................................	109
8.4.5. Зависимости площади контакта от усилия деформирования и глубины внедрения ролика……............................................................	111
глава 9. инструменты для обработки поверхностным пластическим деформированием……........	113
9.1. Особенности работы инструментов для обработки ппд роликами…………………………………………….......................................	113
9.2. Инструменты, обеспечивающие стабильность обработки отверстий…………………………………………......................................	116
9.2.1. Обоснование оптимальной формы опорного конуса в многороликовых ротационных инструментах для обработки деталей ппд……………………...........................................................................	116
9.3. Констуктивные особенности инструмента для центробежного раскатывания……………………………................................................	119
9.4. Разработка блок-схемы автоматизированного расчета оптимальных параметров центробежного раскатника…………………....	122
список литературы……………………………………….......	126

Для заметок

Для заметок

Для заметок

ВВЕДЕНИЕ

Многие наиболее распространенные детали, применяемые в машинах и механизмах различного назначения, содержат отверстия. Несмотря на достаточно хорошо разработанную технологию обработки отверстий, вопросы, касающиеся обеспечения качества обработки при высокой производительности, еще до конца не решены. В значительной степени это относится к обработке глубоких отверстий. По мере всестороннего развития и интенсификации машиностроительного производства номенклатура деталей с глубокими отверстиями увеличивается. Они применяются буквально во всех отраслях промышленности: сельскохозяйственном машиностроении, горнодобывающей и газовой отраслях производства, цветной и черной металлургии, судостроении и др. Это производство многих деталей экскаваторов, цилиндры прессов, трубы буровых установок, ряд деталей оборудования атомных электростанций, цилиндры гидравлических и пневматических устройств.

Трудности обработки возрастают с увеличением длины отверстия. Поэтому для достижения требуемой точности и получения заданного качества поверхностного слоя обработку производят за несколько проходов, что снижает производительность. На сложность процесса обработки указывает тот факт, что более, чем 10 развитых стран (США, Германия и др.) создали специальную ассоциацию «Boring and Trepanning Associating» (ВТА), владеющую монополией в области разработки, изготовления и освоения производств специального оборудования, оснастки и технологии для обработки глубоких отверстий. Деятельность ВТА подтверждает целесообразность ее создания и указывает на широкий рынок сбыта продукции. Публикации по вопросам обработки глубоких отверстий, как в отечественной, так и в зарубежной литературе, сравнительно малочисленны и, в основном, представлены в периодических изданиях и монографиях. Поверхности глубоких отверстий, особенно имеющих большие диаметры (свыше 120 мм), как правило, не подвергаются закалке, а их качество обеспечивается в процессе механической обработки.

Формирование качества поверхностного слоя в основном осуществляется на финишных операциях. Одним из таких высокоэкономичных методов обработки является поверхностное пластическое деформирование (ППД) роликами. По данному виду обработки получено большое количество как теоретических, так и экспериментальных результатов исследований. Это позволяет во многих случаях обоснованно назначать режимы обработки и производить выбор конструктивных параметров деформирующего инструмента. Тем не менее, в виду особенности процесса ППД и большого количества факторов, влияющих на качество поверхности, существуют сложности выбора их оптимального сочетания, а в ряде случаев имеются противоречивые сведения.

В данной работе для решения вопросов обеспечения производительности обработки и качества поверхности отверстий произведен анализ взаимосвязи технологических факторов, геометрических параметров деформирующих роликов и качества поверхностного слоя при ППД. Выявлены факторы, влияющие на результаты обработки и определяющие их, что позволило предложить обоснованные рекомендации по выбору рациональных конструктивных параметров обрабатывающего инструмента и режимов обработки.

Процессу ППД роликами неизбежно предшествует предварительная, в том числе и чистовая обработка резанием. Поэтому в работе рассмотрены также вопросы повышения производительности и совершенствования инструмента при обработке отверстий резанием.

Основными направлениями совершенствования металлорежущего инструмента являются: его рациональный выбор, определение конструктивных геометрических параметров режущей части, количество режущих элементов одновременно участвующих в резании, соблюдение условий заточки и доводки поверхностей, выбор наиболее выгодного режима резания с учетом физико-механических свойств обрабатываемого материала.

Производительность обработки резанием при обработке глубоких отверстий на черновых операциях можно достичь увеличением подачи, скорости и глубины резания. Однако назначение повышенных скоростей резания вызывает интенсивный износ режущего лезвия, а увеличение глубины резания и подачи приводит к преждевременной поломке инструмента в силу их недостаточной прочности.

Так как в ближайшее время создание новых инструментальных материалов, имеющих повышенную износостойкость и прочность маловероятно, то необходимо применять другие методы повышения производительности. К ним относится выбор новых или применение известных схем резания для технологических операций, где они ранее не применялись.

Одним из таких методов является вихревое нарезание резьбы или некоторые методы внутреннего и наружного протягивания, а также ротационное точение вращающимися резцами. Эти методы с успехом могут быть применены для высокопроизводительной механической обработки глубоких отверстий.

В монографии приводятся результаты работ по технологическому обеспечению качества поверхностного слоя и повышению производительности при обработке глубоких отверстий резанием и поверхностным пластическим деформированием. Для повышения производительности, качества обработки, надежности и долговечности инструмента рассмотрен и обоснован перспективный метод обработки отверстий центробежным раскатыванием, а также метод вихревого точения наружных и внутренних цилиндрических поверхностей. Предложены конструктивные усовершенствования применяемых в производстве инструментов.

Авторы с благодарностью примут критические замечания и пожелания, которые будут учтены при дальнейшей работе по совершенствованию технологии и оснастки для обработки глубоких отверстий.

Г л а в а 1

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ

ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ

1.1.  МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ

Глубокими считаются отверстия, для которых отношение диаметра к его длине больше десяти. Отсюда вытекают особенности их обработки − недостаточная жесткость применяемого инструмента и высокая склонность к упругим деформациям под воздействием усилия обработки. С увеличением длины отверстия трудности обеспечения высокой производительности, требуемого и стабильного качества резко возрастают. Как следствие из всех цилиндрических поверхностей деталей различного назначения, применяемых в машиностроении, наиболее трудоемкими и сложными в обработке являются глубокие отверстия.

Выбор того или иного метода обработки отверстия зависит от его размеров и точности, свойств материала заготовки, требований к каче­ству поверхностного слоя и производительности. При черновых опера­циях преимущественно используют токарную обработку сверлами, зен­керами, развертками, резцовыми головками, а при чистовых операциях − тонкое растачивание, абразивную обработку − внутреннее шлифование и хонингование. Для повышения качества поверхностного слоя широко применяются методы ППД: выглаживание, обкатывание роликами, дор­нование. Для обеспечения требований по качеству, точности и достиже­нию заданной шероховатости поверхности необходимо наличие в техно­логии как черновой, так и чистовой обработки. На черновых операциях применяются токарно-винторезные, обдирочно-бесцентрово-шлифоваль­ные станки, при этом используется инструмент и оснастка, учитывающие особенности обработки отверстий. При черновой обработке возникают нежелательные явления, такие как вибрации, появляющиеся в связи с тем, что инструмент в процессе обработки подвергается большим крутя­щим и изгибающим моментам, увеличивается податливость технологиче­ской системы, возникают трудности подвода смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ), затруднено удаление стружки из зоны резания, невозможность непосредственного визуального контроля над процессом обработки и др.

Применение люнетов, поддерживающих борштангу и обрабатываемый инструмент, значительно снижает производительность из-за большого вспомогательного времени, связанного с необходимостью их установки, переустановки и подготовкой установочных поверхностей. Повышение производительности и приведение равнодействующей сил резания, действующих на нежесткую заготовку, к нулю можно достичь применением многорезцовых головок, которые оснащены несколькими режущими элементами, расположенными равномерно по окружности вокруг обрабатываемой поверхности. Резцы могут быть настроенными на заданный размер, или с возможностью перемещения в радиальном направлении, причем либо жестко друг относительно друга, либо автономно. На рис. 1.1 представлена конструкция плавающей двухрезцовой головки, имеющей возможность радиального смещения вследствие радиального биения заготовки.

Рис. 1.1. Плавающая двухрезцовая расточная головка: 1 – оправка, 2 – направляющая шпонка, 3 – плавающий резец, 4 – штифт, 5 – пружина, 6 – шарик

Настройка на размер в такой головке обеспечивается перемещением режущих элементов относительно друг друга в радиальном направлении, в том случае, когда он является сборным или заточкой, когда резец является цельным. Поскольку плавающий блок резцов обладает большой жесткостью, то обеспечиваемая точность размеров может находиться в пределах 7...9 квалитета. Однако подобные резцовые головки относятся к инструментам без определенности базирования. Это означает, что под действием различных факторов, таких как неточность настройки каждого из резцов, различной степени их износа, неоднородности материала детали и припуска на обработку, на заготовку действует равнодействующая сил резания отличная от нуля и имеющая неопределенное направление, что приводит к дополнительным погрешностям и вибрациям. В этом отношении обработка отверстий с подвижными шпонками, установленными на борштанге соответствующим образом более предпочтительна, т. к. результирующее усилие резания имеет направление между опорными направляющими шпонками, установленными на корпусе инструмента.

В качестве чистовой обработки для обеспечения низкой шероховатости (Ra = 0,12...0,63 мкм) может применяться различная абразивная обработка или поверхностное пластическое деформирование. Обработка длинных отверстий шлифованием возможна только уравновешенным инструментом. Суммарная составляющая радиальных сил, действующих на инструмент, в этом случае должна быть равна нулю. К такому виду обработки относится хонингование. Несмотря на то, что хонингование является одним из точных методов обработки, позволяет достичь низкой шероховатости, тем не менее по производительности уступает другим методам, в том числе и тонкому растачиванию, а обработка малоуглеродистых незакаленных сталей при хонинговании приводит к быстрому засаливанию абразивных шлифовальных кругов, что требует частой правки и вызывает повышенный расход абразивного материала.

Шероховатость поверхности, получаемая при шлифовании, достигает значений Rа = 0,32…0,63мкм. С повышением требований к получаемой шероховатости снижается производительность в связи с уменьшением продольной подачи, а применение мелкозернистых абразивных инструментов ведет к их более интенсивному засаливанию.

Когда необходимо получить более низкую шероховатость, применяют дополнительную абразивную обработку мелкозернистыми абразивными кругами, лепестковыми кругами или полированием войлочными кругами с нанесением на них полировальных паст. Недостаток процесса – низкая стойкость кругов и, связанные с этим, частые остановки оборудования для их замены, нестабильное качество поверхности, плохие санитарные условия труда, шаржирование абразива в поверхность детали.

Общим недостатком абразивной обработки является эффект шаржирования инородных абразивных частиц в обрабатываемую поверхность, особенно при обработке мягких материалов (низкоуглеродистые стали, медь, алюминий и его сплавы), а также неблагоприятные санитарные условия труда станочников.

В качестве чистовой обработки, взамен абразивной наиболее перспективным является применение метода ППД. В процессе обработки происходит интенсивное выглаживание поверхностных неровностей заготовки и сопровождающееся значительным упрочнением поверхностных слоев (повышением микротвердости, созданием благоприятных сжимающих напряжений), исключается шаржирование инородных абразивных и других частиц в поверхность детали, отсутствуют прижоги, становится возможным образование частично или полностью регулярных микрорельефов [2, 6, 36, 48, 52, 69, 90].

При обработке отверстий с нежесткими стенками для уменьшения усилия, воспринимаемого заготовкой, рекомендуют применять деформирующие элементы, дающие первоначальный точечный контакт (алмазные выглаживатели и шариковые обкатники) [8, 25, 35, 54 ], а для увеличения производительности многороликовые обкатники со стержневыми цилиндрическими и коническими роликами или роликами сильно вытянутой бочкообразной формы [2, 6, 36, 41, 88, 90, 101].