CC BY
2УДК 621.91.02/621.88.082.1
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ БЛОЧНО-МОДУЛЬНЫХ РАСТОЧНЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ
д-р техн. наук, проф. Н.Н. ПОПОК;
А.А. ГЕРАСИМОВ; Е.М. ТИХОН (Полоцкий государственный университет)
Рассмотрена система блочно-модульных расточных режущих инструментов с микрометрической настройкой лезвий. Предложена и проанализирована модель напряжений и перемещений в резьбовом механизме настройки. Приведены результаты экспериментальных исследований точности и жесткости инструментов. Даны рекомендации по проектированию высокоточных расточных головок, патронов и резцовых вставок.
Ключевые слова: расточные режущие инструменты, точность, резцовые вставки, моделирование.
Введение. В машиностроении широкое распространение получили детали с высокоточными отверстиями, поверхности которых обрабатываются расточными режущими инструментами. Потребность в расточных режущих инструментах постоянно возрастает. Более 60% этой потребности удовлетворяется за счет закупки импортного инструмента, так как отечественные производители не обеспечивают требуемой точности и жесткости расточных режущих инструментов. Анализ конструкций расточных режущих инструментов свидетельствует о том [1; 2], что предлагаются различные модульные инструментальные системы, включающие расточные резцы, расточные головки, патроны, резцовые вставки (микроборы) и отличающиеся размерами модулей, механизмами закрепления и перемещения, что исключает взаимозаменяемость модулей и резцовых вставок, снижает их жесткость, а следовательно, не обеспечивает требуемую точность обрабатываемых поверхностей отверстий.
Для удовлетворения отечественного машиностроения в расточных режущих инструментах необходимо повысить точность позиционирования режущих лезвий и жесткость инструмента, обеспечить технологичность изготовления и сборки инструмента, унифицировать конструктивные элементы деталей и узлов. В совокупности эти технические решения позволят снизить себестоимость расточного инструмента и обеспечат импортозамещение. Повышению точности и жесткости расточного режущего инструмента будут способствовать более технологичные в изготовлении и сборке поверхности сопряжений модулей, резьбовые соединения и компенсаторы резьбовых зазоров в механизме микрометрической настройки режущих лезвий, пазы (гнезда) для установки режущих пластин.
Моделирование напряжений и перемещений в механизме микрометрической настройки режущих лезвий. Разработана система блочно-модульных расточных режущих инструментов (БМРРИ) с микрометрической настройкой лезвий (рисунок 1).
Рисунок 1. - Система блочно-модульных расточных режущих инструментов
Разработанная система блочно-модульных расточных режущих инструментов применяется на станках с ЧПУ, координатно-расточных станках при обработке поверхностей отверстий в диапазоне диаметров 10...360 мм с точностью по 6...7 квалитетам [3].
Система включает расточные головки в диапазоне растачиваемых отверстий с диаметрами от 63 до 360 мм; расточные патроны - от 10 до 63 мм; резцовые блоки, или резцовые вставки, в том числе с микрометрической настройкой лезвий, позволяющие обрабатывать отверстия диаметром менее 10 мм.
Отличительными особенностями и преимуществами БМРРИ являются:
- обеспечение взаимозаменяемости и ремонтопригодности за счет унифицированных модулей:
МХ - модуль хвостовой;
МК1. МК3 - модуль корпусный;
МП1... МП3 - модуль переходной (между МК и МБ);
МБ - модуль балансировочный;
МП4... МП5 - модуль переходной (между МБ и МР);
МР1. МР5 - модуль регулировочный; МЗ - модуль зажимной;
БР1...БР3 - блок резцовый;
ПР - пластина режущая;
- технологичность изготовления и сборки за счет применения открытых плоских и цилиндрических поверхностей сопрягаемых деталей модулей;
- возможность использования модулей и резцовых блоков в других типах режущих инструментов;
- повышение точности и качества обработки за счет возможности регулировки унифицированных модулей.
Точность расточных режущих инструментов с регулируемыми резцовыми вставками (блоками) зависит от точности исполнения резьбового соединения «винт-гайка». Для повышения точности этого резьбового соединения в большинстве случаев используется разрезная гайка (втулка), которая позволяет регулировать зазоры в резьбе и тем самым повышать точность перемещения резцовых вставок. Как правило, соединение винта с разрезной втулкой делается в сжатом или разжатом состоянии втулки.
Приведение резьбового соединения в рабочее положение производится путем снятия напряжения сжатия или разжатия, в результате которого происходит компенсация зазоров в резьбовом соединении. При этом ставится задача по выбору материала втулки и винта, их термообработке, допусков на резьбу винта и втулки, размеров нарезаемых пазов во втулке - глубины, ширины, шага пазов и других параметров, обеспечивающих требуемую точность перемещений при сохранении работоспособности режущего инструмента в пределах заданного стандартом периода стойкости.
Для решения указанной выше задачи произведено моделирование резьбового соединения «винт-втулка» в программной среде «АКБУБ» (рисунок 2).
Рисунок 2. - Трехмерная модель втулки и винта (а) с разбивкой на элементы (б)
Моделируется резьба М12 с шагом 0,5 и 1 мм, выполненная с точностью 6д. Глубина прорезаемого паза составляет 18 и 21 мм; ширина - 1 и 1,5 мм; шаг паза - 1 и 1,5 мм.
Составляется план полного факторного эксперимента (моделирования), включающий три фактора: глубину, ширину, шаг паза во втулке.
б
а
Все три указанных выше фактора варьируются на двух уровнях их значений - максимальном и минимальном (таблица 1).
Таблица 1. - План полного факторного эксперимента (моделирования)
Образец Ширина паза (Ь), мм Шаг паза (1), мм Глубина паза (В), мм
Образец 1 1 1 18
Образец 2 1 1 21
Образец 3 1 1,5 18
Образец 4 1 1,5 21
Образец 5 1,5 1 18
Образец 6 1,5 1 21
Образец 7 1,5 1,5 18
Образец 8 1,5 1,5 21
При изменении осевой нагрузки на резьбу от 50 до 200 Н рассматриваются напряжения в резьбовом соединении и перемещения винта (рисунок 3).
Рисунок. 3 - Карта распределения напряжений, полученная в программе Ашуэ
Цель эксперимента (моделирования) - определение предельной осевой нагрузки, при которой напряжение не превосходит предела прочности заданного материала.
При этом гарантируется минимальный зазор в резьбовом соединении и требуемая точность перемещений резцовой вставки.
Анализ результатов моделирования показывает (рисунок 4):
- с увеличением нагрузки величины перемещения и напряжения растут;
- наиболее приемлемыми для последующих исследований являются образцы под номерами 1, 4, 5 и 8, так как в них не возникает слишком больших и слишком малых нагрузок.
Из этих вариантов выбирается наиболее рациональный - образец под номером 1, так как он имеет наибольшие перемещения и обеспечивает минимальные зазоры в резьбовом соединении при любом значении нагрузки.
100 150
Нагрузка, Н б
Рисунок. 4. - Зависимости напряжений (а) и перемещений (б) в резьбовом соединении от нагрузки при различных размерах глубины, ширины и шага пазов втулки
Экспериментальные исследования резьбовых соединений механизма настройки. При проведении экспериментальных исследований точности и жесткости резьбовых соединений «винт-втулка» использовались стандартные методики, сертифицированные материалы образцов, оборудование и измерительная аппаратура.
Образцы втулок и винта (рисунок 5) изготовлены из стали 45 ГОСТ 1050, наружный диаметр втулки - 24 мм, длина - 47 мм, винты М12 6g и М12 6h с шагом резьбы 0,5; 0,75; 1; 1,5 мм. Твердость втулки 42...54 HRC, винта - 20...30 HRC. Образцы изготовлены в количестве 8 штук - по количеству опытов полного факторного эксперимента, предусматривающего изменение трех факторов (размеров пазов) на минимальном и максимальном уровнях: ширина b = 1; 1,5 мм; шаг t = 1; 1,5 мм; глубина B = 18; 21 мм.
Рисунок 5. - Образец втулки
Методикой эксперимента предусматривается ввинчивание винта в разрезную резьбовую втулку, которая предварительно разжимается или сжимается. После снятия усилий разжатия или сжатия втулки
винт последовательно и многократно ввинчивается и вывинчивается, при этом фиксируется отклонение А (перемещение винта) и крутящий моментМкр на винте (рисунок 6).
Рисунок 6. - Схема физической модели перемещений и крутящих моментов
Для разжатия образцов используются мерные пластины, вставляемые в пазы втулки. Выбор размера пластин определяется заданным шагом резьбы. Для сжатия образцов используется специальный съемник. Отклонение перемещений винта фиксируется на измерительном микроскопе модели №>щаи КУМ-4030Б. На данном микроскопе также измеряются размеры пазов во втулке и шаг резьбы. Для измерения крутящего момента используется динамометрический ключ.
Жесткость резьбового соединения определяется с помощью динамометра модели ЗИП 05-82. В результате экспериментальных исследований установлено (таблица 2), что отклонения длины втулки до и после разжатия близки к размерам ширины пазов и кратны шагу резьбы.
Таблица 2. - Разница размеров втулок до и после разжатия
№ втулки Ширина паза (Ь), мм Шаг паза мм Глубина паза (В), мм Значения выполненных измерений Среднее
измерение 1 измерение 2 измерение 3
1 1 1 18 1,06 1,01 1,08 1,05
2 1 1 21 1,07 1,01 0,98 1,02
3 1 1,5 18 1,02 1,12 1,06 1,07
4 1 1,5 21 0,94 0,96 1,02 0,98
5 1,5 1 18 1,51 1,43 1,51 1,49
6 1,5 1 21 1,57 1,6 1,44 1,54
7 1,5 1,5 18 1,48 1,55 1,5 1,51
8 1,5 1,5 21 1,46 1,44 2,5 1,47
Измерение крутящих моментов показывает (таблицы 3, 4), что уменьшение зазора в резьбовом соединении (резьба М12 6И) приводит к росту значений крутящих моментов примерно в 1,3...1,5 раза.
Таблица 3. - Моменты от винта 6И при разжатии втулки
№ образца Ширина паза (Ь), мм Шаг паза (£), мм Глубина паза (В), мм Момент, Н-м (расклинено) Момент, Н-м (вставки убраны) Плечо, м
1 1 1 18 1 1,5 0,1
2 1 1 21 0 0,5 0,1
3 1 1,5 18 0,5 1 0,1
4 1 1,5 21 0 0,5 0,1
5 1,5 1 18 0 0 0,1
6 1,5 1 21 0 0 0,1
7 1,5 1,5 18 2,5 8 0,1
8 1,5 1,5 21 1,5 4 0,1
Таблица 4. - Моменты от винта бд при разжатии втулки
№ образца Ширина паза (Ь), мм Шаг паза (£), мм Глубина паза (В), мм Момент, Н-м (расклинено) Момент, Н-м (вставки убраны) Плечо, м
1 1 1 18 0,5 1 0,1
2 1 1 21 0 0,5 0,1
3 1 1,5 18 0 0,5 0,1
4 1 1,5 21 0 0,5 0,1
5 1,5 1 18 0 0 0,1
б 1,5 1 21 0 0 0,1
7 1,5 1,5 18 1 5 0,1
8 1,5 1,5 21 0 2,5 0,1
Значения крутящих моментов также возрастают при уменьшении глубины паза с 21 до 18 мм.
Установлено, что винт перемещается без люфтов и резьба не деформируется при равной ширине и шаге пазов и их значениях, равных от одного до двух шагов резьбы.
Аналогичные зависимости отклонений длины втулки и крутящих моментов установлены при исследовании резьбовых соединений в предварительно сжатом состоянии (таблицы 5, б): при уменьшении зазора в резьбе (винт М12 бИ) крутящий момент возрастает примерно в 1,5 раза; моменты в резьбовом соединении при ввинчивании винта в сжатую втулку не возникают из-за отсутствия отклонения осей двух частей втулки; винт перемещается без люфтов, резьба не деформируется при равной ширине и шаге пазов в пределах от одного до двух шагов резьбы.
Таблица 5. - Моменты от винта бИ при сжатии втулки
№ образца Ширина паза (Ь), мм Шаг паза ^), мм Глубина паза (В), мм Момент, Н-м (сжато) Момент, Н-м (напряжение снято) Плечо, м
1 1 1 18 0 1,5 0,1
2 1 1 21 0 1 0,1
3 1 1,5 18 0 1 0,1
4 1 1,5 21 0 0,5 0,1
5 1,5 1 18 0 0 0,1
б 1,5 1 21 0 0 0,1
7 1,5 1,5 18 0 4,5 0,1
8 1,5 1,5 21 0 2 0,1
Таблица б. - Моменты от винта бд при сжатии втулки
№ образца Ширина паза (Ь), мм Шаг паза ^), мм Глубина паза (В), мм Момент, Н-м (сжато) Момент, Н-м (напряжение снято) Плечо, м
1 1 1 18 0 1 0,1
2 1 1 21 0 0,5 0,1
3 1 1,5 18 0 0 0,1
4 1 1,5 21 0 0,5 0,1
5 1,5 1 18 0 0 0,1
б 1,5 1 21 0 0 0,1
7 1,5 1,5 18 0 4 0,1
8 1,5 1,5 21 0 2 0,1
Значения крутящих моментов при предварительном сжатии втулок ниже на 25...50% по сравнению с разжатым, что позволяет изготавливать втулки с большими значениями размеров паза при больших значениях шага резьбы. Измерение жесткости разрезных втулок показывает, что увеличение глубины паза с 18 до 21 мм приводит к уменьшению жесткости втулки в 1,5.1,7 раза.
Результаты проведенного моделирования и экспериментальных исследований позволили предложить расточной инструмент [4], в котором глубина пазов определяется по формуле:
В = Б - 1,
где Б - внешний диаметр резцедержателя; 1 - шаг пазов.
Разработан широкий спектр расточных головок, патронов и резцовых вставок, реализующих инструментальную систему БМРРИ [3]. Отличительная особенность этого ряда инструментов - наличие унифицированной разрезной резьбовой втулки, позволяющей компенсировать зазоры в резьбе. Например, разработанная резцовая вставка (рисунок 7) включает: сборочный узел «резьбовая вставка» 1; стакан 2; втулку 3; шарик 4; пробку 5.
1 2 3 5 4
П
. и \
\( ТЬоР? — О \ /
1 П /
6 17,7 А
45
Рисунок 7. - Резцовая вставка с креплением режущей пластины прихватом
В «резьбовой вставке» 1 державка-винт служит для установки режущей пластины и ее перемещения за счет резьбового соединения с втулкой 3, выполненного со степенью точности 6д.
Для компенсации возможных зазоров в резьбовом соединении во втулке выполнены радиальные пазы, размеры которых определяются на основе рассмотренных выше результатов моделирования и эксперимента. На внешней поверхности втулки 3 и внутренней поверхности стакана 2 выполнена канавка, в которую при сжатии разрезной втулки устанавливаются закаленные шарики 4 через отверстие в стакане, закрываемое пробкой 5. Шарики перекатываются в канавках втулки и стакана, передают упругую силу от стакана к втулке, минимизируя тем самым зазор в резьбовом соединении. Шарики также способствуют уменьшению трения в резьбе при значительных усилиях предварительного натяга.
Лабораторные и производственные испытания экспериментальных образцов резцовых вставок показали их работоспособность.
Точностные параметры резцовых вставок не уступают зарубежным аналогам.
Заключение. Конечным итогом проведенного исследования стали следующие научные результаты:
- получена математическая модель расчета напряжений и перемещений в БМРРИ, позволяющая оптимизировать геометрические параметры винта и разрезной втулки в механизмах настройки режущих лезвий;
- установлены зависимости напряжений и перемещений модулей от нагрузок на механизм настройки, позволяющие научно обосновать уменьшение зазоров в резьбовом соединении для повышения точности и жесткости инструмента;
- даны рекомендации для создания требуемого натяга в резьбовом соединении, в котором предварительное сжатие резьбовой втулки со следующими размерами пазов: глубина - 4/5 от диаметра втулки, ширина и шаг равны и изменяются в диапазоне их размеров от одного до двух шагов резьбы;
- разработана инструментальная система и новые конструкции блочно-модульных расточных головок, патронов и резцовых вставок, отличающихся повышенной точностью и жесткостью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Попок, Н.Н. Анализ тенденций проектирования инструментальных систем // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В. Промышленность. Прикладные науки. - 2012. - № 3. -Ч. 1 : Термины и системы обозначений режущих пластин, державок и модулей. - С. 71-81.
2. Herasimau, А. Cartridge toolholders and boring heads for high-precision holes treatment / N. Ророк // Materials of VI junior researchers' conference, 2012. - P. 91-94.
3. Конструирование и оснащение технологических комплексов / А.М. Русецкий [и др.] ; под общ. ред. А.М. Русецкого. - Минск : Беларус. навука, 2014. - 316 с. - (Технологические комплексы: проектирование, производство, применение).
4. Расточной инструмент : пат. на полез. модель BY 9108 / Н.Н. Попок, Терентьев В.А., А.А. Герасимов. -Опубл. 01.03.2013.
Поступила 11.02.2019
IMPROVING THE ACCURACY OF BLOCK-MODULAR BORING CUTTING TOOLS
N. POPOK, A. GERASIMOV, E. TIKHON
The system of block-modular boring cutting tools with micrometric blade setting is considered, model of stresses and displacements in a threaded adjustment mechanism is proposed and analyzed, the results of experimental researches of the accuracy and rigidity of tools are given, recommendations on the design of high-precision boring heads, cartridges and tool inserts are given.
Keywords: boring cutting tools, accuracy, tool inserts, modeling.
