CC BY
50
ЕТАПЛООБРАБОТК]
УДК 62-187:621.99
Пути повышения качества нарезаемой резьбы
В. В. Максаров, А. И. Кексин
При нарезании резьбы в глухих отверстиях образуются зоны интенсивного износа, а в некоторых случаях сколы, что приводит к преждевременному выходу метчиков из строя и ухудшению качества резьбовых поверхностей. Для решения данных проблем предлагается метчик, обработанный методом магнитно-абразивной полировки (МАП) по специальной технологии. В результате достигается уменьшение шероховатости резьбовых поверхностей, повышается стойкость режущего инструмента, обеспечивается значительная экономия стали, снижается трудоемкость, повышается качество резьбовых поверхностей.
Ключевые слова: шероховатость поверхности, магнитно-абразивное полирование, подбор режимов полирования, качество резьбы.
Введение
К изделиям машиностроения предъявляются высокие требования качества, особенно к одному из самых ответственных элементов конструкций — крепежным резьбовым соединениям, определяющим работоспособность и эксплуатационную надежность сборочных соединений. В связи с этим важными являются совершенствование технологического процесса механической обработки на операции нарезания резьбы метчиками, повышение качества и стабильности шероховатости резьбовых поверхностей, долговечности и стойкости резьбонарезных инструментов из быстрорежущих сталей [1, 2].
В стационарных изделиях машиностроения используют в основном глухие отверстия. Нарезание резьбы метчиком протекает в довольно сложных условиях, поэтому на режущих кромках метчика образуются зоны интенсивного износа, а иногда сколы, что приводит к преждевременному выходу метчиков из строя и ухудшению качества резьбовых поверхностей. Происходит это по следующим причинам. Когда процесс нарезания резьбы завершается, метчик вынужден остановиться в глухом отверстии, чтобы произвести обратное движение. При этой остановке образуются корни стружки, которые под действием интенсивного теплового
потока, возникающего в процессе резания и направленного преимущественно во внутрь обрабатываемого материала, а также подачи в зону резания смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), подзакаливаются и упрочняются. В момент вывинчивания метчика из глухого отверстия каждое перо заборного конуса метчика преодолевает сопротивление корня стружки, оставшегося от предыдущего зуба [2]. На рис. 1 приведена развернутая схема образования стружки на этапах врезания зубьев метчика и вывинчивания. Попадая под затылован-ную поверхность пера метчика, корни стружки, а также срезанная стружка, находящаяся в зоне обработки, защемляются и вдавливаются в обработанную поверхность, образуя надиры и срывы профиля резьбы.
1
Вывинчивание
2
3
Направление резания
Рис. 1. Стружкообразование на этапах врезания зубьев и вывинчивания:
1 — обрабатываемая резьбовая поверхность; 2 — недорезанный корень стружки; 3 — зуб метчика; f — глубина резания
I ЛЕТ^ЛЛ00 Б^АБОТКА
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
Также при шлифовании инструмента из быстрорежущей стали на его рабочих поверхностях под действием интенсивного теплового потока образуется дефектный слой, обусловленный появлением в структуре стали остаточного аустенита и растягивающих напряже ний, обладающий пониженными механическими свойствами, существенно ухудшающий износостойкость инструмента и качество нарезаемой резьбы [1, 2].
Методика экспериментальных
исследований
Для решения поставленных задач метчикам необходимы финишные отделочные операции, повышающие качество поверхности инструмента и увеличивающие его стойкость. При работе таким инструментом облегчаются условия выхода стружки по стружечным канавкам, снижается крутящий момент резания, достигается более высокое качество поверхности нарезаемой резьбы.
Анализ существующих отделочных обработок метчиков из быстрорежущей стали показал, что наиболее приемлемым и эффективным является магнитно-абразивное полирование (МАП) [2].
В основе МАП лежит механический съем металла и его окислов с поверхности обрабатываемого инструмента, а также сглаживание шероховатости путем пластического деформирования зернами магнитно-абразивного порошка, которые под воздействием постоянного магнитного поля увеличивают свою плотность и прижимаются к обрабатываемой поверхности.
Одновременно со снижением шероховатости рабочих поверхностей инструмента МАП упрочняет приповерхностный слой, стабилизируя стойкость инструмента в результате распада остаточного аустенита с образованием высоколегированного мартенсита с карбидными выделениями, а также появлением напряжений сжатия, которые не исчезают при нагреве до температуры 500—550 °С [2].
Это связанно с тем, что в процессе магнитно-абразивной полировки механические и тепловые воздействия на обрабатываемую поверхность менее интенсивны, чем при шлифовании. Каждый микрообъем поверхностного слоя
дважды перемагничивается, проходя мимо полюсов магнитного индуктора. В результате циклических механических и магнитных воздействий здесь происходит распад остаточного аустенита и образуются внутренние напряжения сжатия, приводящие к восходящей диффузии легирующих элементов. Легирующие элементы диффундируют к поверхности и удаляются абразивным путем. В результате у поверхности содержание легирующих элементов тоже оказывается заниженным, но в меньшей степени, чем после шлифования. Уместно заметить, что в процессе МАП дефектный слой от предшествующего шлифования удаляется и МАП не восстанавливает химический состав поверхностного слоя после шлифования, а создает собственный дефектный слой с меньшими искажениями химического состава [1].
Также процесс МАП направляющей части метчика позволяет в обоих направлениях его вращения обеспечить скругление главных и вспомогательных кромок зуба пера, что существенно облегчает условия выхода стружки по стружечным канавкам, снижает крутящий момент резания и не ухудшает качество нарезаемой резьбы на этапе вывинчивания (рис. 2) [2]. Так, на рис. 2, а показано, как ведущие зубья калибрующей части врезаются в стенки уже прорезанной канавки, что приводит к поломке метчика. Причинами поломки являются скручивание метчика, включение в процесс резания зубьев калибрующей части метчика и возрастание момента сил резания. Упругое скручивание метчика относительно собственной оси ведет к тому, что изменяется угол наклона витков резьбы метчика и зубья врезаются в стенки уже прорезанной канавки резьбы отверстия. При этом не только возрастают моменты резания, но и изменяется размер канавки А. Поэто-
а)
б)
Рис. 2. Влияние формы зубьев ведущей части метчика на подрезание резьбы отверстия при боковом затыло-вании: а — одностороннем (прямом); б — двустороннем с помощью магнитно-абразивной полировки
ШШШМБОТКА
му получить хорошее качество резьбовой поверхности в этих условиях не представляется возможным. С помощью МАП эта проблема решается просто, а зубья метчика приобретают форму, показанную на рис. 2, б [3].
Схема установки, использованной для МАП метчиков, приведена на рис. 3. Установка состоит из вертикально-фрезерного станка модели 675, на станине которого размещены две электромагнитные катушки. С помощью специальной электрической схемы регулируют силу тока в пределах 0-20 А. Обрабатываемый метчик одновременно совершает три движения: осевое возвратно-поступательное (осциллирующее); вращение вокруг собственной оси; перемещение в плоскости, перпендикулярной к направлению магнитного поля.
Рабочая зона между полюсами электромагнита при включенном магнитном поле заполнятся магнитно-абразивным порошком. Полируемый метчик, закрепленный в шпинделе станка, приводится во вращение и вводится в рабочую зону таким образом, чтобы между метчиков и полюсами сохранялись зазоры 8. Так как от направления вращения шпинделя зависит направление затылования в процессе МАП, полирование производят в два перехода: сначала полируют заборную часть метчика, затем осевым перемещением вводят в рабочую зону его ведущую калибрующую часть и полируют ее, изменив направление вращения шпинделя. По окончании МАП метчик подвергается размагничиванию [2].
При магнитно-абразивной полировке на интенсивность съема и качество обрабатываемых поверхностей влияют такие факторы, как состав магнитно-абразивного порошка и его зернистость, марка быстрорежущей стали, исходная шероховатость поверхности, режимы обработки.
Экспериментальные исследования позволили подобрать оптимальный режим МАП метчиков: амплитуда колебаний шпинделя в осевом направлении А = 2,5 мм; частота вращения шпинделя п = 630 об/мин; поперечная подача метчика вдоль магнитных наконечников £пр = = 82 мм/мин; магнитная индукция В = 1 Тл, зазор между обрабатываемой поверхностью метчика и магнитным наконечником 8 = 1 мм.
Магнитно-абразивный порошок является своеобразным инструментальным материалом,
Рис. 3. Магнитно-абразивное полирование метчиков:
1 — полюсы электромагнита; 2 — магнитно-абразивный порошок; 3 — метчик
жесткостью которого можно управлять, изменяя напряженность магнитного поля в рабочих зазорах. Для обеспечения высокой интенсивности удаления припуска при полировании, а неравномерность съема припуска на разных участках ведет к отклонению формы обрабатываемой поверхности, что, в свою очередь, ведет к ухудшению качества нарезаемой резьбы, порошок должен обладать хорошими режущими свойствами. Такие свойства имеют механические смеси ферромагнитных и абразивных порошков из твердых или сверхтвердых материалов [3]. Поэтому в качестве магнитно-абразивного порошка, выполняющего роль нежесткого режущего инструмента при МАП метчиков, использовался порошок «Феррооб-раз-3» (ТУ 065.39-82) зернистостью -160... +100.
Немаловажным в процессе МАП является применение смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), предотвращающий налипание стружки на рабочую поверхность инструмента и забивание пор инструмента шламом, тем самым поддерживающий высокую режущую способность абразивного инструмента при обработке
11ЕТ^*|(РАЙТКА
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
материалов. Также улучшается шероховатость поверхности, что объясняется уменьшением интенсивности трения и образования задиров и надрывов, а также пластифицирующим действием поверхностно-активных компонентов СОЖ и увеличением при этом доли пластического выглаживания обрабатываемой поверхности [1]. В связи с вышесказанным рекомендуется использовать смазочно-охлаждающую жидкость на этапе МАП метчиков.
В качестве смазочной жидкости на этапе МАП метчиков использовалась эмульсия ЭГТ, которая являлась одновременно средством охлаждения и носителем поверхностно-активных веществ, растворяющих ферромагнитную основу зерен порошков, что способствовало увеличению срока службы порошка.
Отработка режимных параметров магнитно-абразивного полирования
При анализе временных параметров МАП было установлено, что оптимальные технологические условия подготовки метчиков в значительной степени определяются видом нарезаемого отверстия. Это связано с различными условиями выхода стружки и вывода инструмента из зоны обработки. На рис. 4 приведена схема рабочих частей метчика при нарезании резьбы в глухих отверстиях. В табл. 1 представлены параметры подготовки рабочих частей метчика: направление вращения обрабатываемого инструмента и оптимальное время полирования зон заборного конуса, калибрующей и режущей частей метчика М36 х 4.
Сравнительные испытания проводили на станке 2Б660Ф1 с использованием стандартного комплекта метчиков из стали Р6М5 и одного чистового метчика, подготовленного по изложенной технологии, с геометрическими параметрами а = 6°, у = 5°, ю = 0 °, ф = 13° и зазором
Параметры подготовки рабочих частей метчика
LA
\\
Рис. 4. Рабочие части метчика при нарезании резьбы в глухих отверстиях:
I — заборная часть; II — режущая часть; III — калибрующая часть
5 = 0,26 мм. Обратная конусность метчика — 0,10 мм на 100 мм длины. Параметр шероховатости поверхности рабочей части метчика, измеренный на приборе Surktronik-3 фирмы Rank-Jaulor-Hobson (Англия), 0,5 мкм.
Резьбу М36 х 4-7Н в 336 глухих отверстиях нижнего корпуса компенсатора давления нарезали с частотой вращения инструмента 27 об/мин и подачей охлаждающей жидкости под давлением 4,5 МПа. Результаты испытаний показали, что при использовании опытного метчика, подвергавшегося МАП, по сравнению со стандартным комплектом из трех метчиков достигается уменьшение шероховатости резьбовых поверхностей до 1,6-2,5 мкм. Последующая раскатка обеспечивает получение шероховатости в пределах 0,8-1,25 мкм, что соответствует техническим требованиям. Кроме того, при
Таблица 1.
Направление вращения инструмента Заборная часть Режущая часть Калибрующая часть
t, с
По часовой стрелке 90 90 180
Против часовой стрелки 20 90 180
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
использовании опытных метчиков в 2-3 раза повышается стойкость режущего инструмента, обеспечивается значительная экономия быстрорежущей стали, снижается трудоемкость, повышается качество резьбовых соединений.
Выводы
1. Установлено, что наиболее эффективной отделочной финишной операцией для сложно-профильных инструментов, к которым относятся метчики, является магнитно-абразивная полировка.
2. Магнитно-абразивную полировку для сложнопрофильных инструментов необходимо разделять на определенные этапы с соответствующими технологическими режимами в зонах заборного конуса, калибрующей и направляющей частей метчика.
3. МАП направляющей части метчика позволяет в обоих направлениях его вращения
обеспечить оптимальное скругление главных и вспомогательных кромок зуба пера, что существенно увеличивает их стойкость и режущую способность, облегчает условия выхода стружки по стружечным канавкам, снижает крутящий момент резания и улучшает качество нарезаемой резьбы.
Литература
1. Барон Ю. М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов. Л.: Машиностроение, 1986. 176 с.
2. Совершенствование технологии нарезания резьбы в изделиях энергомашиностроения / В. В. Максаров, Ю. М. Барон, В. Г. Васильев, В. И. Скрипченко // Энергомашиностроение. 1987. № 1. С. 24-27.
3. Maksarov V. V., Keksin A. I. Methods of increasing the quality of thread pitches // International Conference „Biosystems Engineering. Production Engineering". Estonian University of Sciences, 09-13 May 2013. Tartu, Estonia. Р.133-138.
Stanexim
MACHINE TOOLS 8, TECHNOLOGY
СТАНЭКСИМ представила современные решения по механической обработке отливок
В Екатеринбургском офисе инжиниринговой компании СТАНЭКСИМ состоялся семинар, посвященный современным методам обработки литейных деталей в серийном производстве. Мероприятие было ориентировано на специалистов металлообрабатывающих и литейных цехов, а также руководителей машиностроительных заводов.
В ходе встречи специалисты СТАНЭКСИМ представили решения для автомобильной и железнодорожной промышленности, металлургии, а также производства спецтехники. Отдельное внимание было уделено модельному ряду станков итальянской фирмы MAUS, предназначенных для очистки отливок различных размеров от элементов литниково-питающей системы. Особый интерес собравшихся вызвали автоматические линии MAUS для массового производства, которые наиболее востребованы в автомобильной промышленности для механической обработки таких деталей, как блок цилиндров и головка блока цилиндров.
По окончании презентации состоялся обмен мнениями. Специалисты СТАНЭКСИМ ответили на вопросы собравшихся, а также обсудили особенности внедрения представленных решений в конкретные производственные процессы.
СТАНЭКСИМ (www.stanexim.ru) — инжиниринговая компания, поставщик оборудования и решений для технического перевооружения машиностроительных предприятий и оптимизации производственных процессов. Основными направлениями деятельности компании являются: разработка технологии обработки деталей, поставка оборудования, подбор инструмента, унификация компонентов, автоматизация процессов, параметрический и технологический контроль, сервисное обслуживание, а также обучение персонала.
MAUS — итальянский производитель оборудования для очистки литья и механической обработки деталей. Широкий спектр решений компании включает в себя станки и производственные линии с различной производительностью и степенью автоматизации.
ООО "Станэксим", 115088, РФ г. Москва, ул. Угрешская, д. 2, стр. 48 Тел./факс: +7 495 984 20 72 E-mail: root@stanexim.ru www.stanexim.ru
