CC BY
0А.З. Курбанов, канд. техн. наук, проф., e-mail: kurbanov-48@ mail.ru Дагестанский государственный педагогический университет Н.М. Вагабов, канд. техн. наук, доц., e-mail: vagabov01@inbox.ru Дагестанский государственный технический университет М.А. Магомедова, канд. пед. наук, ст. преподаватель, e-mail: mag.mаrina1979@gmail.com Дагестанский государственный педагогический университет О.М. Омардибиров, канд. техн. наук, доц., e-mail: omarf56@ mail.ru Дагестанский государственный университет г. Махачкала
УДК 621.882.085/.086.004
ВНЕДРЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБОВЫХ ОТВЕРСТИЙ В ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛАХ
В статье рассматриваются результаты внедрения высокоточных технологий нарезания внутренних резьбовых отверстий в деталях, изготовленных из труднообрабатываемых материалов, на действующем производстве. В целях практической проверки результатов лабораторных исследований произведена обработка резьбовых отверстий различных деталей на действующем производстве, изготовленных из высоковязких сталей и сплавов. На основе этих исследований разработана высокотехнологичная и высокоточная технология, обеспечивающая высокое качество резьбовых отверстий малых диаметров в труднообрабатываемых материалах.
Промышленное внедрение результатов лабораторных исследований метчика с новой схемой резания показало, что разработанная технология обеспечивает высокое качество нарезаемой резьбы малых диаметров в деталях, изготовленных из труднообрабатываемых материалов, и повышение стойкости инструментов по сравнению с существующими технологиями, которые могут быть рекомендованы для широкого внедрения в производство.
Ключевые слова: обработка внутренних резьб, метчик, точность, качество, стойкость, профиль резьбы, схема резания.
A.Z. Kurbanov, Cand. Sc. Engineering, Prof.
N.M. Vagabov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof. M.A. Magomedova, Cand. Sc. Pedagogical, Senior Lecturer O.M. Omardibirov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
INTRODUCTION OF MODERN TECHNOLOGIES FOR THREAD HOLES CUTTING
IN HARD-TO-CUT MATERIALS
The article considers the results of introducing high-precision cutting technologies for internal threaded holes in parts made from hard-to-cut materials in the existing industry. For the purpose of practical verification of the laboratory findings, the threaded holes of various parts, made of high-viscosity steels and alloys, have been treated. Based on these studies, a high-tech and high-precision technology has been developed.
Industrial testing of the developed technology showed that it provides high quality of small-diameter threading in details made from hard-to-work materials and increasing the durability of tools in comparison with existing technologies, which can be recommended for widespread manufacturing application.
Key words: internal thread processing, thread tap, accuracy, quality, durability, thread profile, cutting scheme.
Введение
Вопрос оптимизации резьбонарезания в сложнолегированных сталях и сплавах является наиболее сложным и важным. Это имеет особое значение при изготовлении энергетических
установок, которые испытывают действие вибрации, приводящее к деформации резьбы в местах контакта. Потеря работоспособности резьбового соединения значительно снижает надежность эксплуатации оборудования и может привести к аварии. Особенно возрастает требование к качеству резьбы. Для создания энергетических установок с более высокими характеристиками предусматривается использование сталей и сплавов с особыми физико-механическими свойствами: маломагнитных, коррозионностойких, кислотостойких. Это, как правило, стали аустенитного, аустенитно-ферритного и аустенитно-мартенситного классов типа Г13, 12Х18Н10Т, 07Х16Н6, Х17С2, 40Х5В2ФС, ХН77ТЮР, 20Х13, а также титановых сплавов ВТ5,ВТ7. Как показывает практика, обработка этих материалов резанием затруднена из-за их значительной склонности к наклепу при деформациях, высокой вязкости, плохого теплоот-вода из зоны резания. Они обладают малым коэффициентом теплопроводности (Х=0,03) и низким коэффициентом обрабатываемости (Коб = 0,1...0,3). Поэтому технология и режимы резания, используемые для конструкционных углеродистых сталей, неприменимы к труднообрабатываемым материалам. Кроме того, обработка резьбовых отверстий и в особенности малых диаметров в труднообрабатываемых материалах в результате увеличения контакта инструмента с деталью, недостаточного смазывания и охлаждения, с учетом их повышенной склонности к схватыванию, увеличивает трение, что вызывает повышение температуры в зоне резания и интенсивный износ инструмента. Кроме того, наблюдается упругое воздействие витков резьбы, особенно при обработке титановых сплавов, характеризующихся низким значением модуля упругости, возникают нормальные силы, приводящие к защемлению зубьев метчика во впадинах резьбы и возрастанию суммарного крутящего момента.
В результате нарезания резьбы метчиками в труднообрабатываемых материалах наблюдаются сколы и выкрашивание отдельных зубьев, ухудшение качества обработки резьбы и поломка метчиков. Как показывает практика, брак изделий из-за поломок метчиков малых диаметров (6-16 мм) достигает 67%.
Постановка задачи
Повышения качества нарезаемой резьбы и производительности можно достичь разными путями, в частности за счет оптимального выбора режимов резания, улучшения конструкции режущего инструмента и применения современных высокопрочных материалов для их изготовления. Проектирование и производство режущего инструмента, а также разработка технологии резьбонарезания требуют научно обоснованного подхода, соблюдения законов теории резания, учета физико-механических свойств обрабатываемого материала и характеристик используемого оборудования. Разработка оптимальных конструкций инструмента с новой схемой резания и обоснованных технологических рекомендаций по выбору рациональных режимов резания для нарезания резьб малых диаметров в деталях из труднообрабатываемых материалов обеспечивает высокое качество получаемой резьбовой поверхности и высокую производительность.
Особое значение имеют лабораторные и производственные испытания разработанной технологии, основанной на создании конструкции комбинированного зенкер-метчика с новой схемой резания.
Методы исследования
Идея повышения качества обрабатываемой резьбы, производительности обработки резьбовых отверстий малых диаметров (6-16 мм) с помощью применения новой схемы резания, позволяющей сократить длины режущих кромок за счет формирования фасок размером 0,10,15 мм, перекрывающих толщину среза, и заборным конусом с углом ф, распространенным на всю резьбовую часть, научно обоснована нашими исследованиями. Как показали проведенные лабораторные и производственные исследования, обработка резьбовых отверстий малых диаметров нормальным метчиком, метчиком с шахматным расположением зубьев, коррегиро-ванным метчиком не обеспечивает высокого качества направленной резьбовой поверхности.
Для обеспечения высокого качества резьбовых отверстий и повышения стойкости метчиков применяется специальная схема резания, показанная на рисунке 1.
Рисунок 1 - Расчетная схема метчиковой части комбинированного инструмента
Исходя из рисунка 1, устанавливаем зависимость для определения угла 5, и радиальных углов шлифовального круга для дополнительного шлифования £1 и £2. По теореме синусов находим:
FC
Тогда FC
Р * sinp siny
P*sin ф
, гдеу = 1800 - + 900 + 2) = 900 - +2).
cos(^+|) '
п £ п £
£ P*sm^*cos2 P*si^*cos2
CE = FC * cos — =--—
2 cos(p + 2■) cosp * cos 2 — siny * sin 2 ctgp — tg 2
£i.
X = OL = NC- * ctg —
NC- = AM (tgE- -tg£i) = CE (tg^ — tgEl) = Х =
p(t9j-tgE!) _ ctgy - tgI '
P(tg^-tg£1)ctg£1 P(tg^*ctge1 — 1)
ctgç — tg-
ctgç — tg-7
Получим ta = - =
p p
Находим
а = + f * sin^)ctg£i-f * eos|,
где /- фаска AA; £1 - угол правой стороны впадины, выбирается на 2.. .3° меньше угла £2. Находим
(p*tg— \
0,5Р--+ f * sin -1 * ctg£1 +
ctgty—tg— 2 J
ctgy-tg-
В итоге получим
tgS =
+ ■
( е\ £ ( P*tg- е\
[0,5Р + / * sin-J ctge1 — / * cos-- ^0,5P —--+ / * sin-J ctge1 +
f * cos |J /P,
ctgq>-tg
где 8 - угол обратного конуса; ^ - угол заборного конуса; £1 и £2 - соответственно углы профиля нарезаемой резьбы метчика.
tg£2=
Р Т3
Т,Тд
СС =АМ — 2AMtg- = Р
2tg2 ctgp — -
= P 11
2 ig--
ctgp — tg -
== P
I ctgp — 3tg —
К
ctgp -tg —
C'C" sin (90° — C'Ccjsi C'D'=— 4 2y - 2
sind
sind
в = 180° — ^ — (90° — 2) = 90°+ 2 ,
D'T3=(C'D' — cosœ = (c'D' — cosœ = C'D'cosa —
V cosy/ \ 2costyJ
P £ P
T3T2=TiT4—TiT2—T2T3= - ctg---ê — C'D'sinœ,
2 a 2 ctgcp-tg- ^
£
C'CПcos — cosф C'C" s
-s—2---0--Vf* sin-
tge2 2 7 2
C'C'
2 ctg 2 ■
p £' £ — C'D'sinp + / * COS 2
ctg^ —
(ctg^ —3tg—\ fcosjcosy -Д £
a —
(ctgp — tg sind
sind + (ctgy — ^ cos2* * /2cos-
ine /2 - задняя фаска; / = или QQ + ^н .
Исходный средний диаметр предлагаемого метчика принимаем несколько большим. Длину короткой фаски определяем как
V7 nU Р * п
OÇ = —+ A; Z = ^
СО 5
/2
P t^^ * Р '
где z - общее число режущих зубьев; t - глубина резьбы; 1з - длина заборного конуса; п - число перьев метчика; А - перекрытые, Д=0,02.. .0,05 принимается в зависимости от шага резьбы. Тогда
_P*tgV_ + a .
n* cos(—
2)
Последовательно находим
OQ*sina1 QQ'= QD*sinp1
sinaa2 ' sinfi2 '
где a1 = 90°-{j-V);a2 = 180°- (90°- § + p) - ft = 90° + £2 - § - <p; f; ft = 180°-§ .
Корректированный средний диаметр метчика D'cp будет
D'cp = Dcp + 2QQ',
где 5l = 90°-((£)+^);^1=£-£I; 5l = i80°-(90°-£-^)-£ + £!=90° + £i + ^.
Обсуждение результатов
При нарезании резьб в труднообрабатываемых материалах повышенной прочности величина износа по задней поверхности высока и эффективность метчиков низка, особенно при обработке резьбовых отверстий высокой точности. Поэтому потребовалось создание конструкции метчика с новой схемой резания [7].
В конструкции автора [7], признанной изобретением, это достигалось формированием специальной схемы резания, позволяющей сократить длины режущих кромок за счет формирования фасок размером 0,1-0,15 мм, перекрывающих толщину среза, и заборным конусом с углом распространяющимся на всю резьбовую часть метчика [9].
В целях практической проверки результатов лабораторных исследований проведена обработка различных деталей на действующем производстве, изготовленных из высоковязких сталей и сплавов. Резьбонарезание в деталях осуществляли инструментом стандартных конструкций и комбинированного строения. При этом контролировали количество резьбонарезаний и стойкость инструмента. Весь исследуемый инструмент был изготовлен из стали Р9К5 и имел HRC 64-65. Обрабатывали резьбовые отверстия М14 х 1,5 по 2-й степени точности.
Результаты комплексных исследований представлены в таблице.
Для резьбонарезания выбран корпус топливного racoca дизеля Ч 8.5/11 из стали 20X13 и другие изделия предприятий ОАО « Завод им. Гаджиева» (№ 1) и завода «Дагдизель» (№ 2). Резьбонарезание осуществлено метчиками нормальной конструкции, корригированным профилем и комбинированного строения при скорости резания 22 м/мин. Все метчики подобраны с углом заборного конуса, равным ф=3°. В таблице приведены резулътаты исследований, из которых видно, что стойкость комбинированного метчика составляет 60 мин, а нормального - 10 мин, комбинированным метчиком обработано 1600 отверстий, нормальным всего 235, т.е. стойкость комбинированных метчиков при равных условиях обработки превышает стойкость нормальных метчиков более чем в 6 раз. Стойкость метчика с корригированным профилем и шахматным расположением зубьев находится между стойкостью нормального метчика и стойкостью комбинированного метчика.
Таким образом, применение комбинированного инструмента разработанной конструкции позволяет сократить технологическое время peзьбонарезания корпуса водяного насоса с 7,2 до 1,2 мин и значительно повышает качество поверхности резьбы.
Таблица
Результаты комплексных исследований
Предприятие Детали Обрабатываемый материал Угол заборного конуса в град Скорость резания м/мин Метчики
нормальные шахматные корригированные комбинированные
стойкость, Т, мин число отверстий стойкость, Т, мин число отверстий стойкость, Т, мин число отверстий стойкость, Т, мин число отверстий
№ 1 Корпус насоса ЦН-105 20Х13 3О 22 10 235 20 475 50 1100 60 1600
№ 1 ЦМ-86 12Х18Н10Т 2О30' 15,70 10 230 18 410 45 1100 60 1520
№ 1 Детали суд. арматуры ХН11ТЮР 5О 4,28 5 1 10 16,5 165 25 255
№ 1 Н24ХГ 3О 6,28 4 25 8 40 35 90 50 130
№ 1 Патрубок уплотнит. 10Х18Н12М ЗТЛ 2О30' 15,70 8 230 15 400 40 900 55 1250
№ 2 Клапаны дизеля 40Х5В2ФС 2О30' 2,4 12 16 18 25 30 49 45 84
№ 2 Вставка вихревая Х17С2 3О 6,28 6 80 15 300 30 800 40 1200
№ 2 Рычаг узла захлопки Х17Н2 3О 6,28 6 60 12 250 25 580 45 700
№ 2 Детали суд. арматуры Г13 3О 22 2 20 4 30 30 80 45 120
№ 2 Винт ВТ5 7О30' 6,28 2 20 5 60 40 500 50 600
№ 3 Втулка ВТ7 2О30' 6,28 0,6 7 9 120 15 145
Для получения более точных результатов необходимо провести исследование структуры и содержания обрабатываемого материала жаропрочной стали 40Х5В2ФС, применяемой для изготовления клапанов дизелей, а также учесть особенность технологии резьбонарезания в этих материалах. Результаты некоторых проведенных исследований показаны на рисунке 2.
50 ||
Нормальный метчик
(I
1«.5 ±:1
=¡1=1
5-1 49 -Г—
»1
40
¿1
МО
^191
I» тг
| | Нормальный метчик
I I Метчик с шахматным распо-
- ложением зубьев
Корригированный метчик
|||| Комбинированный метчик
Рисунок 2 - Стойкость и ресурсоспособность метчиков различной конструкции
Выводы
Проведенные лабораторные и производственные испытания работоспособности метчиков с новой схемой резания, позволяющей уменьшить площадь контакта зубьев метчика с обрабатываемой поверхностью в зоне резания за счет сокращения длины режущих кромок, показали ее высокую эффективность. Таким образом, проведенными исследованиями установлено, что точность геометрических параметров, прочность и качество поверхности резьбы, нарезаемой комбинированным зенкер-метчиком со специальной схемой резания в труднообрабатываемых материалах, значительно выше тех же параметров резьбы, полученной обработкой стандартными метчиками. Идея объединения метчика с зенкером для создания комбинированного инструмента заключается в том, что его зенкерная часть обеспечивает исправление оси отверстия под резьбу и стабилизирует припуск под дальнейщую обработку.
Библиография
1. Wu S.M. Tool-life the ting oy Respose Surfach Methodology. P. I. University of Wisconsin Madison.
- ASME, Paper N бЗ. - P. 1.
2. Westphal H. Die spannende Bearbeitung von Titan // Werkstattstechnik und Maschinenbau. - 1957.
- N 3.
3. CookE. Titanium Demands Special Consideration // Machineru. - 195б. - Vol. б2, N 7.
4. Sato T., Tujita N. The Present stage and the future of the machinability data service in Japan // Proc. 14-th Int. Mach. Tool. Dec. and Res. Conf. - Manchester, 1973. - P. б85-б90.
5. Jacob E. Anwendung des Programms AUTOTECH - KOPA 2 // Verteidigungstechnik und Betrieb, Bd. 25. - 1975. - N 11. - S. бб8-б72.
6. Dearnley P.A. Механизм износа передней и задней поверхностей твердосплавных инструментов с покрытиями и без покрытий // Экспресс-информация. Сер.: ТАО и М. - 1985. - Т. 107, № 1. - С. 73-102.
7. А.с. №1б18535 Метчик для обработки труднообрабатываемых материалов / Курбанов А.З., Абдуллаев А.М. - 8.09.1990.
8. Курбанов А.З., Тынянский В.П. Комбинированный метчик // Машиностроение. - 1984. - № 5.
- С. Зб.
9. Вагабов Н.М., Курбанов А.З. Обоснование и разработка комбинированного инструмента зенкер-метчик с новой схемой резания // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - Махачкала, 2013. - № 3 (30). - С. 24-30.
10. Курбанов А.З., Алиомаров Л.М. Новая технология нарезания внутренних резьб в деталях из труднообрабатываемых материалов // В мире научных открытий. -2013. - № 7 (43). - С. 238-252.
11. Курбанов А.З., Алиомаров Л.М. Оптимизация геометрических параметров комбинированного зенкер-метчика по качеству и производительности обработки // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. - 2013. - № 3 (24). - С. б-9.
12. Курбанов А.З., Вагабов Н.М., Алиомаров Л.М. Исследование и оптимизация работоспособности и стойкости комбинированного инструмента зенкер-метчика // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Серия: Технические науки. - Махачкала, 2014. - № 4 (35). -С.19-2б.
13. Курбанов А.З., Алиомаров Л.М., Магомедова М.А. Оптимизация режимов резьбонарезания по качеству поверхности // В мире научных открытий. - 2014. - № 12.2 (б0). - С. 815-828.
14. Курбанов А.З., Вагабов Н.М., Алиомаров Л.М. Методика контроля среднего диаметра резьбы с несимметричным профилем // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Серия: Технические науки. - Махачкала, 2015. - № 4 (39). - С. 8-14.
15. Вагабов Н.М., Курбанов А.З., Магомедова М.А. Исследование типового состояния зоны нарезание резьбы с помощью полного факторного эксперимента // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - Махачкала, 2015. - № 2 (37). - С. 8-12.
16. Курбанов А.З., Алиомаров Л.М., МагомедоваМ.А. Исследование влияния геометрических параметров комбинированного инструмента на величину крутящего момента при резьбонарезании // Вестник ВСГУТУ. - 2016. - № 5 (62). - С. 38-42.
17. Вагабов Н.М., Курбанов А.З., Магомедова М.А. Технология нарезания внутренних резьб высокой точности в деталях судовых машин, механизмов и судовой арматуры // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Серия: Технические науки. - Махачкала, 2016. - Т. 41, № 2. - С. 28-33.
Bibliography
1. Wu S.M. Tool-life the ting oy Respose Surfach Methodology. P. I. University of Wisconsin Madison.
- ASME, Paper N 63. - P. 1.
2. Westphal H. Die spannende Bearbeitung von Titan // Werkstattstechnik und Maschinenbau. - 1957.
- N 3.
3. Cook E. Titanium Demands Special Consideration // Machineru. - 1956.- Vol. 62, N 7.
4. Sato T., Tujita N. The Present stage and the future of the machinability data service in Japan // Proc. 14-th Int. Mach. Tool. Dec. and Res. Conf. Manchester. - 1973. - P. 685-690.
5. Jacob E. Anwendung des Programms AUTOTECH-KOPA 2 // Verteidigungstechnik und Betrieb, Bd.25. - 1975. - N 11. - S. 668-672.
6. Dearnley P.A. Wear mechanism of the front and back surfaces of carbide tools with coatings and without coatings // Express information. Ser.: TAO and M. - 1985. - Vol. 107, N 1. - P. 73-102.
7. Kurbanov A.Z., Abdullaev A.M. Thread tap for hard-to-cut materials. As. № 1618535 from 8.09.1990.
8. Kurbanov A.Z., Tynyanskiy V.P. Combined taps // Mechanical Engineering. - 1984 - N 5. - P. 36.
9. Vagabov N.M., Kurbanov A.Z. Substantiation and development of a combined senker-tap tool with a new cutting scheme. Bulletin of the Dagestan State Technical University. Engineering sciences // Makhachkala. - 2013. - N 3 (30). - P. 24-30.
10. Kurbanov A.Z., Aliomarov L.M. New technology of tapping internal threads in details from hard-to-cut materials // In the world of scientific discoveries. - 2013. - N 7 (43). - P. 238-252.
11. Kurbanov A.Z., Aliomarov L.M. Optimization of the geometric parameters of the combined counter-sinker in quality and processing performance // News of the Dagestan State Pedagogical University. Natural and exact sciences. - 2013. - N 3 (24). - P. 6-9.
12. Kurbanov A.Z., Vagabov N.M., Aliomarov L.M. Investigation and optimization of the operability and stability of the combined tool of the counter sinker // Bulletin of the Dagestan State Technical University. Technical sciences. - Makhachkala, 2014. - N 4 (35). - P. 19-26.
13. Kurbanov A.Z., Aliomarov L.M., Magomedova M.A. Optimization of thread cutting modes based on surface quality // In the world of scientific discoveries. - 2014. - N 12.2 (60). - P. 815-828.
14. Kurbanov A.Z., Vagabov N.M., Aliomarov L.M. Testing technique of the average thread diameter with an asymmetric profile // Bulletin of the Dagestan State Technical University. Technical science. - Makhachkala, 2015. - N 4 (39). - P. 8-14.
15. Vagabov N.M., Kurbanov A.Z., Magomedova M.A. The study of model conditions at the zone of threading with the help of full factorial experiment // Bulletin of the Dagestan State Technical University. Technical science. - Makhachkala, 2015. -N 2 (37). - P. 8-12.
16. Kurbanov A.Z., Aliomarov L.M., Magomedova M.A. The impact study of the combined tool's geometric parameters on the amount of torque during thread cutting // Bulletin of the ESSUTM. - 2016. -N 5 (62). - P. 38-42.
17. Vagabov N.M., Kurbanov A.Z., Magomedova M.A. Tapping technology of high-precision internal threads in details of ship machinery, mechanisms and ship carcass // Bulletin of the Dagestan State Technical University. Technical science. - Makhachkala, 2016. - T. 41, N 2. - P. 28-33.
