CC BY
93
УДК 621.952.8
Рекомендации по проектированию маслоприемников для глубокого сверления отверстий малых диаметров
Ю. И. Кижняев, Б. А. Немцев, П. Д. Яковлев, С. П. Яковлев
Даны рекомендации по проектированию основных узлов маслоприемников для глубокого сверления отверстий малых диаметров с наружным подводом СОЖ. Предлагаемые конструкции узлов проверены в производственных условиях и могут использоваться в качестве базовых при создании отечественной системы технологической оснастки для обработки глубоких отверстий малых диаметров.
Ключевые слова: глубокое сверление, глубокие отверстия, смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ), маслоприемник, узел уплотнения, инструмент с наружным подводом СОЖ, стебель, сверлильная головка, режимы резания.
Метод обработки глубоких отверстий с наружным подводом смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами (например, с внутренним подводом СОЖ) [1] и предусматривает использование специального устройства — маслоприемни-ка, который подает СОЖ в зону резания под давлением. СОЖ подается в кольцевой зазор между поверхностью обработанного отверстия и наружной поверхностью инструмента, состоящего из стебля кольцевого поперечного сечения с установленной на нем сверлильной головкой. Кроме того, маслоприемник выполняет следующие функции:
• базирование переднего конца заготовки;
• первоначальное направление инструмента;
• базирование и герметизация стебля инструмента;
• демпфирование крутильных колебаний инструмента, компенсация теплового удлинения заготовки.
При глубоком сверлении отверстий малых диаметров (менее 25,0 мм) на узлы маслопри-емника, выполняющие указанные функции, накладываются более жесткие требования по обеспечению надежности работы. Это связано с особенностями процессов глубокого сверления отверстий малых диаметров: высокими (до 4000 об/мин) частотами вращения заготовки и инструмента, высокими (до 20 МПа)
давлениями СОЖ, подаваемой в зону резания, низкой изгибной и крутильной жесткостью применяемого инструмента и др. [1].
На практике используются маслоприемни-ки (отечественные и зарубежные) различных конструкций. Обобщенная конструктивная схема маслоприемника для глубокого сверления отверстий малых диаметров при различных кинематических схемах работы приведена на рис. 1.
Основными узлами, обеспечивающими работу маслоприемника, являются:
• узел базирования заготовки и первоначального направления сверлильной головки (поз. 1, рис. 1);
• узел герметизации внутренних полостей маслоприемника — канала подвода СОЖ к сверлу (поз. 2, рис. 1);
• узел базирования и герметизации стебля (поз. 3, рис. 1).
Конкретные конструктивные исполнения узлов зависят от условий эксплуатации маслоприемников, отношения длины отверстия к диаметру (относительной длины отверстия) и других факторов, а так же определяются требованиями технического задания на разработку технологической оснастки.
На рис. 1-4 приведены конструкции указанных узлов, которые прошли широкую лабораторную и производственную проверку при обработке глубоких отверстий малых диаметров.
ЕТАПЛООБРАБОТК]
Рис. 1. Обобщенная конструктивная схема маслоприемника:
1 — узел базирования заготовки и первоначального направления сверлильной головки; 2 — узел герметизации внутренних полостей маслоприемника; 3 — узел базирования стебля; 4 — сверлильная головка; 5 — стебель; 6 — виброгаситель; 7 — гайка
Узел базирования заготовки
и первоначального направления
сверлильной головки
Данный узел обеспечивает базирование и герметизацию переднего конца заготовки и первоначальное направление сверлильной головки в начале обработки при засверливании в торец заготовки. При этом используются следующие конструктивные исполнения узла:
• герметизация переднего конца заготовки с помощью торцевого уплотнения; первоначальное направление сверлильной головки обеспечивается — с помощью невращающей-ся кондукторной втулки (рис. 2);
• базирование и герметизация заготовки с помощью конической поверхности малой конусности; первоначальное направление сверлильной головки — с помощью вращающейся или невращающейся кондукторной втулки (рис. 3, а);
• базирование и герметизация заготовки с помощью короткой конической фаски; первоначальное направление сверлильной головки — с помощью вращающейся либо невра-щающейся кондукторной втулки (рис. 3, б);
• базирование заготовки с помощью переходной втулки; направление сверлильной головки - с помощью вращающейся кондукторной втулки, которая снабжена острой кониче-
ской поверхностью, обеспечивающей герметизацию по торцу заготовки (рис. 3, в).
Торцевое уплотнение (рис. 2) применяется при обработке глубоких отверстий с относительной длиной до 50, когда передний конец вращающейся заготовки жестко закреплен в патроне шпиндельной бабки или в люнете. Для компенсации погрешностей установки заготовки, следствием которых является биение ее торца, конструкция уплотнения предусматривает контакт сопрягаемых поверхностей за счет шарнирного закрепления корпуса 2.
Другим условием нормальной работы уплотнения является обеспечение оптимального, не зависящего от давления СОЖ, усилия прижима уплотнительного элемента к торцу заготовки. Это достигается гидравлической разгрузкой уплотнения от давления СОЖ, т. е. расчетом оптимальных значений диаметров ¿1, ¿2, ^з (см. рис. 2) и созданием с помощью тарированной пружины 5 фиксированного усилия прижатия уплотнительного элемента 4 к торцевой поверхности заготовки.
Основным расчетным параметром является утечка СОЖ через уплотнение Q. Для торцевого уплотнения (рис. 2) утечку приближенно можно оценить по формуле [2]
Q =
^ р
12та
(1)
2 3
4 5
Рис. 2. Торцевое уплотнение:
1 — заготовка; 2 — уплотнительный элемент; 3 — корпус уплотнения; 4 — пружина; 5 — кольцо уплотнительное; 6 — штифт; 7 — корпус маслоприемника; 8 — втулка кондукторная; 9 — втулка
1
где dCp = (di + d2)/2 — средний диаметр уплот-нительного элемента; hCp = (Rai + Ra2)/2 средняя толщина слоя СОЖ между сопрягаемыми поверхностями (Rai, Ra2 — параметры шероховатости поверхностей); p — давление СОЖ; р — коэффициент динамической вязкости СОЖ; а = (di - d^)/2 — толщина уплот-нительного элемента.
Из анализа формулы (1) следует, что утечку СОЖ можно уменьшить за счет уменьшения
среднего диаметра уплотнения, шероховатости контактирующих поверхностей и увеличения ширины уплотняющего элемента. Однако в условиях высоких частот вращения заготовки необходимо обеспечить смазку и охлаждение трущихся поверхностей путем создания гарантированного объема утечки. Практически это достигается установкой на заготовке 1 переходной втулки 9 из закаленной стали (например, У10, 58-63 ИИС) со шлифованной торцевой
a2 = a1 + (2 ■ 3)
40...50
Рис. 3. Узлы базирования заготовки: а — с помощью конической поверхности малой конусности; б — с помощью короткой конической фаски; в — с помощью переходной втулки; 1 — заготовка; 2 — шпиндель маслоприемника; 3 — кондукторная втулка; 4 — переходная втулка
Б
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
поверхностью (Ra ~ 0,63 мм), использованием антифрикционных материалов для уплотняющих элементов (например, графитированного текстолита) и подбором оптимального усилия поджатия пружины 5 (см. рис. 2).
Базирование и герметизация переднего конца заготовки с помощью конической поверхности малой конусности (рис. 3, а) используются при обработке глубоких отверстий малых диаметров повышенной относительной длины (более 100), когда для установки заготовки на станке применяются несколько люнетов. Для этого на заготовке изготавливается точная коническая поверхность с углом конусности 2-4°, которая сопрягается с конусом маслоприемника. В указанных условиях контакт происходит по площади, что обеспечивает высокую жесткость и герметичность уплотнения при давлениях СОЖ до 15 МПа и частотах вращения заготовки до 3000 об/мин.
Базирование и герметизация заготовки с помощью короткой конической фаски (рис. 3, б) используются при обработке глубоких отверстий с относительной длиной до 100 и давлениях СОЖ до 10 МПа. Угол конусности конуса заготовки составляет 12-15°, а конкретное его значение на 1,5-2,0° меньше угла конусности конуса маслоприемника. В процессе базирования переднего конца заготовки происходит заклинивание сопрягаемых поверхностей, что обеспечивает жесткость и герметичность соединения.
Базирование заготовки с помощью переходной втулки (рис. 3, в) предусматривает обработку на заготовке базовой поверхности и использование специальной переходной втулки, которая устанавливается на конусе мас-лоприемника. В переходной втулке крепится кондукторная втулка, на торце которой имеется острая коническая поверхность. При установке заготовки острая кромка кондукторной втулки врезается в торец заготовки, обеспечивая герметизацию стыка. Способ отличается простотой и не требует существенной подготовки базовых поверхностей заготовки.
В состав рассмотренных узлов базирования и герметизации заготовки входят элементы, выполняющие одну из основных функций маслоприемника — первоначальное направление сверлильной головки. Указанную функцию выполняет кондукторная втулка, которая
может устанавливаться либо во вращающейся части маслоприемника (шпинделе), либо в не-вращающейся. Маслоприемники с невраща-ющейся кондукторной втулкой более сложны по конструкции [1].
От точности и качества изготовления кондукторной втулки и ее установки в масло -приемнике существенно зависят точность и качество обработанного отверстия, так как погрешности отверстий, которые образуются в начале обработки (начальный увод, огранка и т. д.), являются основной причиной их дальнейшего развития по длине сверления.
Погрешности отверстий в начале обработки являются результатом влияния на процесс врезания сверлильной головки в торец заготовки большого количества факторов:
• погрешностей изготовления кондукторной втулки и ее базирования в маслоприем-нике;
• погрешностей расположения сверлильной головки в самой кондукторной втулке;
• износа кондукторной втулки;
• погрешностей, связанных с неточностью изготовления, сборки деталей и узлов масло-приемника и т. д.
Перечисленные факторы в конечном счете приводят к двум основным погрешностям первоначального направления сверлильной головки:
• отклонению от соосности оси кондукторной втулки от оси вращения заготовки;
• радиальному зазору между кондукторной втулкой и сверлильной головкой.
При использовании маслоприемников с вращающейся кондукторной втулкой отклонение от соосности оси кондукторной втулки от оси вращения заготовки приводит к образованию начального увода; с возрастанием указанного отклонения начальный увод растет. Поэтому маслоприемники с вращающейся кондукторной втулкой необходимо использовать при глубоком сверлении отверстий с относительной длиной менее 100, когда начальный увод не возрастает до критических значений, приводящих к браку заготовки в конце обработки.
При глубоком сверлении отверстий малых диаметров с относительной длиной более 100 основной задачей, решение которой вызывает наибольшие трудности, является обеспечение заданной точности отверстий по уводу и не-
МЕШПООБМБОТК|»
прямолинейности оси [3]. При этом начальный увод — первичный источник кинематического возмущения инструмента с частотой вращения заготовки и основная причина дальнейшего увеличения увода и образования непрямолинейности оси отверстий. Указанные погрешности могут достигать значений, превышающих допустимые, что приводит к браку дорогостоящих заготовок [3]. Поэтому при глубоком сверлении отверстий малых диаметров с относительной длиной более 100 необходимо использовать маслоприемники с не-вращающейся кондукторной втулкой, так как наличие отклонений от соосности оси кондукторной втулки от оси вращения заготовки у этих маслоприемников не вызывает образования начального увода.
Увеличение радиального зазора между отверстием кондукторной втулки и сверлильной головкой приводит к снижению диаметральной точности и отклонениям формы отверстия в начале обработки. Указанные погрешности (например, начальная огранка) копируются с обработанной поверхности на обрабатываемую, что приводит к их дальнейшему распространению на всю длину просверленного отверстия. Кроме того, с увеличением радиального зазора возрастает нестабильность переходного процесса врезания инструмента в начале обработки, увеличивается амплитуда его крутильных колебаний до начала устойчивого базирования сверлильной головки в отверстии. Указанные процессы отрицательно влияют на стойкость режущей части сверлильной головки, могут приводить к ее выкрашиванию и поломкам.
Практика показывает, что при глубоком сверлении отверстий малых диаметров отклонение от соосности оси кондукторной втулки от оси вращения заготовки не должно превышать 0,01 мм, а радиальный зазор между отверстием кондукторной втулки и сверлильной головки должен находиться в пределах посадки Н6/§6. При этом кондукторные втулки должны устанавливаться в соответствующие детали маслоприемника по переходным посадкам (например, Н6/к6), а передний торец кондукторной втулки должен быть максимально приближен к торцу заготовки (не более 1,0 мм). Указанные требования могут быть обеспечены за счет высокой точности и качества изготов-
ления кондукторных втулок (используются инструментальные стали 60-65 НИС либо твердые сплавы) и основных деталей маслоприем-ника, высокой точности сборки маслоприемни-ка и установки его на станке, использования подшипников 4-5-го классов точности.
Узел герметизации внутренних полостей маслоприемника
В процессе глубокого сверления на детали и узлы маслоприемника действуют давление СОЖ и вес заготовки. Наиболее сложно обеспечить герметизацию внутренних вращающихся деталей маслоприемника, поскольку диаметры уплотнительных элементов значительно (в 2-3 раза) больше диаметра сверления. При этом окружные скорости трущихся пар достигают 5-6 м/с при давлениях СОЖ до 20 МПа. Такие высокие давления необходимы, чтобы обеспечить требуемый расход СОЖ для надежного вымывания стружки из зоны резания [1].
Для герметизации внутренних полостей маслоприемников при обработке глубоких отверстий малых диаметров наибольшее распространение получили щелевые и лабиринтные уплотнения различных конструкций. Торцевые уплотнения используются в основном в маслоприемниках для обработки глубоких отверстий диаметром более 30 мм.
Уплотнение показанное на рис. 4, а, состоит из неподвижных колец 1, жестко связанных между собой через промежуточные кольца 2, и подвижных колец 3, которые прижимаются давлением СОЖ к неподвижным. За счет уменьшения зазора между кольцами 1 и 3, создается большое гидравлическое сопротивление, что позволяет свести утечки СОЖ к требуемому минимуму.
Утечку СОЖ через уплотнение Q приближенно можно определить по формуле [2]:
Q =
пйЬ3 р 12^пЬ
(2)
где й, Ь, Ь — геометрические параметры уплотнения; п — количество подвижных колец; р — коэффициент динамической вязкости СОЖ; р — давление на входе в уплотнение.
ШШШМБОТКА
а)
б)
Вращающаяся часть
маслоприемника
Рис. 4. Узлы герметизации внутренних полостей маслоприемника: а — уплотнение с прямыми кольцами; б — уплотнение с Т-образными кольцами:
1 — неподвижные кольца; 2 — промежуточные кольца; 3 — подвижные кольца
Практика показывает, что для давлений СОЖ до 20 МПа, диаметра < до 70 мм достаточно пяти-семи подвижных колец, которые устанавливаются на вращающуюся часть маслоприемника, со средними зазорами Ь = 0,02 - 0,03 мм. Боковой зазор между неподвижными и подвижными кольцами должен соответствовать посадкам Н7Д7 и Н7/е8. При этом величина Q не превышает 0,8-1,2 л/мин, что обеспечивает смазку трущихся поверхностей и вполне допустимо. Утечки через уплотнение отводятся через специальные дренажные отверстия в корпусе маслоприемника в общий бак СОЖ (см. рис. 1).
В уплотнении, показанном на рис. 4, б, используются Т-образные кольца, часть которых неподвижна, а другая часть вращается. Конструкция уплотнения обеспечивает постоянство зазоров между сопрягаемыми поверхностями колец. За счет сложной формы щелевого канала, через который проходит СОЖ, обеспечивается большая суммарная длина щелевого канала при той же длине уплотнения в целом. Расчет утечек СОЖ может выполняться по формуле (2). При этом длина Ь каждого Т-образного кольца рассчитывается с учетом конфигурации щелевого канала.
Узел базирования и герметизации стебля
Этот узел обеспечивает базирование стебля, направление его вдоль оси центров станка и герметизацию в процессе обработки (см. рис. 1).
Дополнительной функцией узла является демпфирование колебаний инструмента.
Для базирования и направления стебля используются втулки, которые изготавливаются из бронзы или чугуна. Стебель сопрягается с внутренней поверхностью втулок по посадкам Н9Д9 и Н9/§9. Уплотнительные элементы устанавливаются между втулками. В качестве уплотнений используется набивка из шнурового асбеста или кольца из полиуретана.
Необходимо предусматривать возможность затяжки уплотнения. Общая длина узла базирования и герметизации стебля для мас-лоприемников, используемых при обработке глубоких отверстий малых диаметров, составляет от 4 до 10 диаметров отверстия. Установлено, что при указанных условиях сопряжение стебля с направляющими втулками в процессе обработки можно рассматривать в качестве жесткой заделки.
Для демпфирования крутильных колебаний используются две конические полувтулки, сжимающие стебель 5 под действием усилия поджатия гайки 7 (см. рис. 1). Полувтулки изготавливаются из древесины твердых пород, текстолита, капролона и др. материалов.
В соответствии с рекомендациями, изложенными в статье, разработаны конструкции маслоприемников для различных условий обработки глубоких отверстий малых диаметров. Одной из последних модификаций является маслоприемник с невращающейся кондукторной втулкой, конструкция которого иллюстрируется рис. 5. Маслоприемник успешно ис-
1
2
2 3
4 5 6 7 8 9
10
Рис. 5. Маслоприемник:
1 — узел уплотнения стебля в маслоприемнике; 2 — заготовка; 3 — втулка; 4 — пружина; 5 — шпиндель; 6 — втулка кондукторная; 7 — уплотнение; 8 — корпус; 9 — корпус; 10 — штуцер
пользуется при изготовлении серийных партий базовых при разработке отечественной систе-
деталей на различных предприятиях (напри- мы технологической оснастки для глубокого
мер, на заводе «Измерон» и ОАО «Большевик», сверления отверстий малых диаметров с на-
Санкт-Петербург). Рекомендации по техноло- ружным подводом СОЖ. гии глубокого сверления, выбору режимов резания приведены в статье [1].
Литература
Выводы
Представленные рекомендации по проектированию маслоприемников проверены в производственных условиях при серийном изготовлении глубоких отверстий в деталях различного назначения, а также при глубоком сверлении отверстий повышенной относительной длины.
Предлагаемые конструкции узлов и масло-приемников могут использоваться в качестве
1. Немцев Б. А., Яковлев П. Д., Яковлев С. П. Технология глубокого сверления отверстий малых диаметров с наружным подводом СОЖ // Металлообработка. 2015. № 4. С. 19 - 24
2. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л. А. Кондратьев, А. И. Голубев [и др.] М.: Машиностроение, 1994. 448 с.
3. Кижняев Ю. И., Немцев Б. А., Яковлев П. Д. Особенности образования и способы уменьшения уводов при глубоком сверлении отверстий диаметром 7-30 мм в валах и плитах без вращения и с вращением инструмента // Металлообработка. 2012. № 3. С. 36-41.
