CC BY
185
УДК 621.91.02
МЕТЧИКИ С ВЕДУЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
В.М. Красильников, Е.Ф. Моисеев, А.С. Ямников
В статье дан аналитический обзор перспективных конструкций метчиков для нарезания точных резьб. Показаны различные сочетания расположения ведущих элементов, а также возможные формы ведущей части.
Ключевые слова: резьба, точность, ведущие элементы
Основным фактором, влияющим на точность формируемой резьбовой поверхности, является нарушение заданной закономерности движения мерного резьбообразующего инструмента. Оно характеризуется отклонением фактической траектории движения его режущих элементов от некоторой идеальной винтовой траектории, отвечающей заданным параметрам нарезаемой резьбы. Причиной возникновения этого нарушения является наличие некоторых результирующих сил от сил резания и внешних сил, действующих на инструмент со стороны остальных элементов технологической системы. Однако величина отклонения от заданной траектории перемещения режущих кромок инструмента зависит не только от значения и направления общей результирующей силы, но и от сопротивления ее действию системы инструмент-заготовка. При этом всякое повышение сопротивляемости будет приближать движение инструмента в ходе обработки к теоретической траектории, а величину рассеяния размеров (по среднему диаметру) образуемой резьбы - к нулю.
Рабочие элементы метчиков в ходе формирования резьбовых поверхностей осуществляют две функции: с одной стороны образуют резьбовой профиль, а с другой - исполняют роль копира, обеспечивая движение режущих кромок по заданному закону. Надежность ориентации метчика зависит от следующих конструктивных особенностей инструмента: остроты кромок зубьев, контактирующих с поверхностью изделия, суммарной длины контактирующих кромок, величины затылования зубьев по профилю; сопротивляемости материала заготовки врезанию острых кромок инструмента; длины нарезаемой резьбы. Из пяти названных факторов три первых характеризуют конструкцию и состояние рабочих элементов инструмента, а два последних - материал заготовки и параметр образуемой резьбы, т.е. конструктивные параметры детали. Следовательно, задачу стабилизации движения режущих кромок по заданной траектории необходимо решать путем повышения стабилизирующих свойств конструктивных элементов рабочей части инструмента.
В Тульском и Южно-Уральском государственных университетах много лет работают научные школы по разработке прогрессивных техно-
логий резьбонарезания [1-11, 13].
В качестве рабочей гипотезы принято, что мерные инструменты, предназначенные для образования трапецеидальных резьб, будут обеспечивать получение резьбовых поверхностей с заданными параметрами при условии, если они содержат на рабочей поверхности элементы, обладающие способностью сохранять инструменту близкие к номинальным параметры траектории винтового движения на всех этапах формирования профиля.
Варианты конструктивного исполнения ведущих элементов могут быть разнообразны. Некоторые из них приведены в табл. 1.
Таблица 1
Разновидности форм ведущих элементов и способов их получения
Конструкция ведущего элемента Расположение ведущего и режущего элементов Способ получения профиля ведущих элементов
№ формы Общий вид Особенности формы профиля
1. /Х7 / / '\ / Г 1 С двойным затыло-ванием по профилю от середины зуба На отдельных зубьях рабочей части инструмента Затылование по схеме «подъем-спад» совместно с обычным за-тылованием
2. № С фасками вместо боковых кромок со стороны передней поверхности Обычное заты-лование + операция снятия фасок на каждом ведущем зубе
3. Со сложным профилем, имеющим режущий и ведущий участки по длине зуба Совмещенное в пределах каждого отдельного зуба рабочей части инструмента Затылование по схеме «спад-подъем-спад» на длине каждого зуба
4. ш С режущими и ведущими участками, расположенными по высоте зуба Обычное заты-лование + операция изменения угла профиля по высоте элемента
Не прибегая к подробному анализу других конструкций инструментов с ведущими элементами, отметим, что наиболее технологичным из них
является метчик с бочкообразными зубьями на ведущей части [11]. Форма ведущих элементов такого метчика показана в таблице, а их расположение на пере инструмента на рис. 1 . Эти зубья имеют двойное затылование по профилю на величину к2.
Рис. 1. Метчик для нарезания точных резьб конструкции В.В. Матвеева: 11 - длина режущей части (заборного конуса);
12 - длина калибрующей части; 13 - длина ведущей части, снабженной бочкообразными зубьями)
Особенность работы метчика заключается в том, что после захода зубьев ведущего участка в витки нарезаемой резьбы обеспечивается хорошая ориентация инструмента в радиальном и осевом направлениях. Это происходит за счет опоры зубьев ведущего участка своими опорными площадками на профиль начальных витков формируемой резьбы. Однако практика показывает, что при действии нескомпенсированных сил резания и значительных по величине внешних сил запаздывание момента вступления в работу зубьев ведущего участка приводит к разбиванию 3...5 начальных витков.
Другой конструкцией метчика, снабженного ведущими зубьями такой же формы, является метчик со стабилизирующим участком на заборном конусе (рис. 2) [12]. Такая конструкция рабочей части инструмента обеспечивает ему удовлетворительную ориентацию при действии осевых и радиальных сил резания, но не может стабилизировать рабочее движение метчика при действии на его хвостовик внешних сил радиального направления. Проведенный анализ точностных возможностей такого метчика показывает эффективность его применения только в условиях точной наладки (отклонения от соосности метчика и отверстия заготовки не более 0,15 мм).
к
Можно предположить, что названное требование будет выполняться, если ведущие элементы будут находиться в контакте с образуемой поверхностью на протяжении всего периода работы инструмента, т.е. от начала формирования заходных витков до момента его выхода из витков готовой резьбы при вывинчивании.
Рис. 2. Метчик для нарезания точных резьб конструкции В.П. Лопухова: I] - общая длина заборного конуса;
¡2 = (1...2)Р - длина ведущего участка; р- угол заборного конуса на режущих участках; 12 - длина калибрующей части
Исходя из характера движения мерных резьбообразующих инструментов при работе, это условие может быть соблюдено, если отдельно выполненные режущие и ведущие элементы расположить на рабочей поверхности инструментов по винтовой линии поочередно друг за другом. Такое расположение режущих и ведущих элементов обеспечит практически одновременное вступление их в работу. Опираясь своими вершинами (опорными площадками) на поверхности витков формируемой резьбы, ведущие элементы должны стабилизировать движение режущих элементов инструмента по расчетной траектории уже в начальный период обработки. Это позволит избежать подрезания профиля (следовательно, и разбивания размера) как у первых заходных, так и у последних ниток резьбы детали.
Мирновым И.Я. [13] доказана целесообразность поочередного расположения на винтовой линии режущих и ведущих элементов у мерных резьбообразующих инструментов. Такое расположение элементов с учетом технологичности их изготовления на операциях шлифования профиля и за-тылования по задней поверхности на длине режущей части может быть
легко обеспечено у метчиков при четном числе перьев.
Это позволяет сгруппировать режущие и ведущие зубья на отдельных режущих и ведущих перьях, расположенных по окружности друг за другом. Нетрудно установить, что общее число перьев или ножей у метчика не должно быть меньше четырех. Рассмотрим конструкции метчиков, рабочая часть которых выполнена с учетом изложенных выше условий.
Метчики с ведущими элементами, как и обычные, могут быть в различном исполнении: прямоканавочные и со спиральными стружечными канавками; с хвостовиком и насадные; цельные и сборные. Принимая во внимание, что зубья ведущих перьев не производят резания, рабочая часть такого метчика может быть выполнена как с равным шагом расположения перьев по окружности, так и с блочным их расположением. Конструкция одного из них: метчика [13] с блочным расположением режущих и ведущих перьев нескольких исполнений - представлена на рис. 3.
Рис. 3. Конструкции метчиков с ведущими элементами
Отличительной особенностью конструкции является то, что режущие (1,3,5) и ведущие перья метчика (2,4,6) попарно сближены за счет резкого сокращения объема нерабочих канавок перед ведущими перьями и соединены в блоки. Рабочая часть таких метчиков, как и стандартных, состоит из режущей 11 (заборной), заточенной под углом ф, и калибрующей
частей 12 частей. Зубья режущих перьев, заточенных по передней поверхности под углом у, по профилю выполнены с обычным затылованием на величину кь рекомендуемую нормалями машиностроения, а по задней поверхности на заборной части - на величину к. Зубья ведущих перьев, начиная с первого витка резьбы метчика, имеют двусторонне затылование на величину к2 в обе стороны от середины каждого зуба, имеющего в дуговом сечении по среднему диаметру бочкообразную форму. Опорные поверхности ведущего зуба выполнены с некоторым радиусом Я (табл. 2).
Таблица 2
Варианты форм рабочих профилей выглаживающе-деформирующих зубьев метчиков
Форма профилей выглаживателей
Номер формы
Общий вид
Особенность формы
Рекомендуемые значения основных параметров*
1
Радиусная
Я = 0,5^ и более
Радиусная с цилиндрической ленточкой
Я = 0,5^ / = 1,2...1,5 мм
Двуугловая с цилиндрической ленточкой
/ = 1,2.1,5 мм, а = а = 5.10°
С радиусной вершиной
р = 120° Я = 2,5.3,5 мм
2
3
4
Для обеспечения нормальной работы ведущих зубьев на заборной части (исключения смятия обрабатываемой поверхности резьбы спинками этих элементов) необходимо выполнять их по наружному диаметру с занижением на некоторую величину А относительно зубьев режущих перьев. В отличие от режущих, ведущие зубья на заборном конусе метчика по задним поверхностям целесообразно (по условиям технологичности) изготовлять без затылования. Тогда они будут иметь форму, соответствующую участкам поверхности усеченного конуса.
Работоспособность метчиков с ведущими элементами будет зависеть от соотношения средних диаметров резьбы режущих ^2р и ведущих я?2в перьев, замеренных по самым высоким точкам профилей их зубьев. Это
Технологии и оборудование обработки металлов резанием соотношение определяет величину перепада профилей А^ = 0,5(Л2в - Л2р),
анализ которой показывает, что инструменты такой конструкции могут иметь два принципиально различных варианта исполнения:
1) Л2в £ Л2р, обеспечивающий А^ £ 0;
2) Л2в > Л2р, обеспечивающий А1 > 0.
В первом случае (А1 £ 0) ведущие элементы выполняют работу, связанную только с сохранением заданной траектории перемещения режущих элементов и повышения точности обработки. При этом исключается смятие (поверхностная пластическая деформация) боковых сторон профиля формируемой резьбы.
Во втором случае (А1 > 0) формирование резьбы происходит резанием с поверхностным пластическим деформированием боковых сторон ее профиля, причем ведущие элементы выполняют и свою основную функцию: стабилизируют движение инструмента по заданной траектории.
Следует предположить, что в случае А1 > 0 обеспечение точности будет наилучшим за счет постоянства контакта опорных элементов с профилем образуемой резьбы на всех этапах обработки.
Ранее отмечено, что при перепадах А1 > 0 опорные элементы рассматриваемых конструкций метчиков наряду с обеспечением стабилизации заданного закона движения выполняют работу, связанную с выглаживанием боковых сторон профиля формируемой резьбы (рис. 4).
Рис. 4. Схема формирования профиля резьбы метчиками с выглаживающими элементами
Зубья режущих элементов метчика формируют предварительный профиль резьбы детали с некоторым средним диаметром ^2пр у гайки или
Л2пр у болта, оставляя по боковым поверхностям слой металла толщиной аа, определяющий величину натяга под выглаживание.
Анализируя данные, приведённые в таблице, нетрудно установить, что для метчиков наиболее технологичной и конструктивно приемлемой
205
является первая форма выглаживателя с радиусной рабочей поверхностью, соответствующая форме ведущих элементов рассматриваемых конструкций метчиков.
Список литературы
1. Ямников А.С. Прогрессивная технология обработки винтовых поверхностей и резьб: монография /А.С. Ямников , И.Я. Мирнов,
B.П. Кузнецов [и др.]; под редакцией В.П. Кузнецова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008, 233с.
2. Manufacture of thread-cutting tools with smoothing elements / I.Y. Mirnov, A.A. Malikov, I.L. Sandgarten, A.S. Yamnikov / (2010) Russian Engineering Research 30 (7). P. 742 - 744.
3. Прогрессивные технологии резьбообработки: учеб. пособие / А.С. Ямников, А.А. Маликов, О.А. Ямникова, Д.П. Волков, Е.Ю. Кузнецов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 293 с.
4. Сандгартен И. Л., Маликов А.А. Ямников А.С. Метчики для нарезания трапецеидальных резьб. Проектирование и технология изготовления: монография, Изд-во Ламберт, ФРГ. 2012. 143 с.
5. Маликов А.А., Сандгартен И.Л., Ямников А.С. Устойчивость продольного перемещения метчиков с ведущими элементами относительно обрабатываемой резьбы // Известия ТулГУ. Технические науки, 2010. Вып. 1. С. 105-108.
6.Ямников А.С., Сандгартен И.Л., Кузнецов В.П. Аналитическое определение деформации ведущих элементов метчиков / СТИН №12. 2009.
C. 29-32.
7. Маликов А.А., Сандгартен И.Л., Ямников А.С. Влияние деформации ведущих элементов метчиков на точность резьбонарезания // Известия ТулГУ. Технические науки, 2010. Вып. 1. С. 89-92.
8. Технология изготовления резьбообразующих инструментов с выглаживающими элементами/ И.Я. Мирнов, А.А. Маликов, И.Л. Сандгартен, А.С. Ямников // СТИН, 2010. №4. С. 27-31.
9. Ямников А.С. Определение сил, действующих на режущую часть метчика/ А.С. Ямников, В.П. Кузнецов, К.Н. Якунин [и др.] / Технология машиностроения, 1999, №0 (пилотный выпуск). С. 13-16.
10. Кузнецов В.П., Сандгартен И.Л., Ямников А.С. Аналитическое определение деформации ведущих элементов метчиков / Материалы научно-технического семинара «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства», посвященного 70-летию кафедры «Технология машиностроения» и 110-летию со дня рождения Ф.С. Демьянюка. М. МАМИ, 2009. С. 29-32.
11. Матвеев В.В. Нарезание точных резьб. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1978. 88 с.
12. Лопухов В.П. Метчик с режуще-выглаживающими зубьями // Станки и инструмент. 1983. № 6. С. 17-18.
13. Мирнов И.Я. Метчик для нарезания высокоточных резьб. Машиностроитель. 1983. № 5. С. 27.
Красильников Виктор Михайлович, канд. техн. наук, доц., зам. директора, instrumental2005@,rambler.ru. Россия, Тула, ООО «КПС «Движение»,
Моисеев Евгений Федорович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, начальник опытно-производственного участка, mailasplav. org, Россия, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»,
Ямников Александр Сергеевич, д-р техн. наук, проф., yamnikovas@mail,ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
TAPS WITH LEADING ELEMENTS V.M. Krasilnikov, E.F. Moiseyev, A.S. Yamnikov
In article the analytical review of perspective designs of taps for cutting of exact carvings is given. Various combinations of an arrangement of leading elements, and also possible forms of leading part are shown.
Key words: carving, accuracy, leading elements.
Krasilnikov Victor Mikhaylovich, candidate of technical science, docent, deputy director, [email protected]. Russia, Tula, JSC «KPS «Dvizheniye»,
Moiseyev Eugeny Fedorovich, candidate of technical science, senior research associate, chief of a skilled and production site, maila splav. org, Russia, Tula, JSC «NPO «SPLAV»,
Yamnikov Alexander Sergeyevich, doctor of technical science, professor, yamniko-vas@mail,ru. Russia, Tula, Tula State University
