Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и задачи исследования 10
1.1. Анализ методов обработки глубоких отверстий малого диаметра 10
1.2. Основные закономерности и технологические возможности дорнования 16
1.3. Особенности дорнования глубоких отверстий малого диаметра 23
1.3.1. Опыт применения дорнования при обработке отверстий малого диаметра 23
1.3.2. О режимах дорнования отверстий малого диаметра в толстостенных заготовках 26
1.3.3. Анализ технологической оснастки, применяемой для дорнования глубоких отверстий 28
1.4. Задачи исследования 31
2. Разработка и исследование технологической оснастки для дорнования глубоких отверстий малого диаметра 34
2.1. Исследование процесса базирования заготовок при дорновании отверстий 34
2.1.1. Вертикальное расположение оси отверстия заготовки 34
2.1.2. Горизонтальное расположение оси отверстия заготовки 45
2.2. Разработка конструкций устройств и инструментов для дорнования глубоких отверстий малого диаметра 48
2.3. Вспомогательная оснастка для дорнования глубоких отверстий малого диаметра 55
2.4. Исследование особенностей функционирования технологических систем дорнования глубоких отверстий малого диаметра 56
2.4.1. Теоретическое исследование механического поведения толкателя прошивки и его взаимодействия с заготовкой 57
2.4.2. Экспериментальное исследование деформаций толкателя и его взаимодействия с направляющими и заготовкой 65
2.5. Выводы 73
3. Закономерности контактного взаимодействия инструмента с толстостенной заготовкой при дорновании отверстий малого диаметра 75
3.1. Общие условия экспериментов, применяемые инструменты и приспособления 75
3.2. Усилия дорнования 84
3.3. Контактные давления и ширина контакта 90
3.4. Деформации инструмента под действием силовых нагрузок и их влияние на погрешности формы отверстий 97
3.5. Влияние основных факторов дорнования на усадку отверстий 101
3.6. Выводы 106
4. Технологические возможности дорнования при обработке глубоких отверстий малого диаметра в толстостенных заготовках 108
4.1. Точность и качество поверхностного слоя при дорновании глубоких отверстий малого диаметра cL = 4d 108
4.1.1. Точность размеров и формві отверстий 108
4.1.2. Шероховатость поверхности отверстий 117
4.1.3. Упрочнение поверхностного слоя отверстий 122
4.2. Технологические возможности дорнования при обработке глубоких отверстий малого диаметра с L =(50...100)d 128
4.3. Применение дорнования для повышения износостойкости токоподводящих наконечников для сварки плавящимся электродом в защитных газах 136
4.3.1. Повышение износостойкости наконечников из меди Ml 137
4.3.2. Повышение износостойкости наконечников из дисперсионно-упрочненного медного сплава ДУКМ М70 140
4.3.3. Экономическая эффективность новой технологии изготовления наконечников из дисперсионно-упрочненного медного сплава ДУКМ М70 142
4.4. Выводы 143
Заключение 146
Список литературы 149
Приложение 160
- Основные закономерности и технологические возможности дорнования
- Разработка конструкций устройств и инструментов для дорнования глубоких отверстий малого диаметра
- Деформации инструмента под действием силовых нагрузок и их влияние на погрешности формы отверстий
- Технологические возможности дорнования при обработке глубоких отверстий малого диаметра с L =(50...100)d
Введение к работе
Актуальность работы. В машиностроении одной из существенных остается проблема увеличения производительности обработки глубоких отверстий, повышения их точности и качества поверхностного слоя.
Остро стоит эта проблема применительно к обработке точных (IT6...ITS) глубоких отверстий малого диаметра (d = 1.. .3 мм, L = (4..Л 00)d, где d-диаметр отверстия, L-ero глубина) [14,15,38,48,91]. Наиболее широко используемые для окончательной обработки отверстий малого диаметра глубиной L = (4...I0)d развертывание и притирка являются малопроизводительными и не всегда обеспечивают предъявляемые к отверстиям технические требования [4,38,48,99]. Особенно большие трудности возникают при обработке глубоких отверстий малого диаметра при L = (10...100)d. В этом случае из-за отсутствия эффективных методов отделочной обработки часто ограничиваются только сверлением отверстий. Это не позволяет обеспечить требуемые по эксплуатационным соображениям параметры точности и качества поверхностного слоя отверстий и приводит к снижению долговечности деталей. Так, при существующей технологии изготовления токоподводящих наконечников для сварки плавящимся электродом в защитных газах, потребляемых отечественной промышленностью сотнями тысяч в год, глубокие отверстия (d = 0,95...2,65 мм, L = (10...40)d) получают сверлением спиральными сверлами. При этом из-за низкой точности и качества поверхностного слоя глубоких отверстий (IT 11... IT 14, Кй-2,5мкм) создаются далеко не оптимальные условия работы контактной пары наконечник - электродная проволока, что приводит к повышенному износу и расходу наконечников при сварке, а также снижает качество сварных соединений.
Как показывает анализ литературы, значительно повысить эффективность обработки глубоких отверстий малого диаметра и эксплуатационные свойства деталей, можно, используя дорнование.
Последнее вследствие высоких технологических возможностей находит все более широкое применение в различных отраслях машиностроения. Это стало возможным благодаря всестороннему исследованию процесса дорнования [23, 57, 59, 66, 63, 97], созданию прогрессивных технологических схем обработки и конструкций твердосплавных инструментов [25,46,62,66,89,90], разработке методик расчета и проектирования соответствующих технологических процессов [42, 56, 81]. Дорнование используют для обеспечения высокой точности и качества поверхностного слоя отверстий, повышения износостойкости и усталостной прочности деталей, увеличения прочности соединений с натягом и ряда других целей [7,26,45,46,47,56,61]. За счет использования дорнования в качестве операции, выполняемой перед термообработкой (закалкой) деталей, можно существенно снизить припуски на окончательную обработку отверстий и повысить эксплуатационные свойства закаленных деталей [66,81]. Дорнование успешно применяют не только как самостоятельный метод обработки, но и; в различных сочетаниях с режущим протягиванием [10,36,43,52,54].
Вместе с тем, наиболее эффективные твердосплавные инструменты (прошивки) в настоящее время используют лишь для дорнования неглубоких отверстий малого диаметра в сравнительно тонкостенных деталях (t < d; t -толщина стенки детали) [14, 81]. (Большинство же деталей с глубокими отверстиями малого диаметра являются толстостенными (t > d)). Такая ситуация объясняется рядом причин, к основным из которых относятся несовершенство применяемой технологической оснастки, слабая изученность технологических возможностей дорнования применительно к обработке глубоких отверстий малого диаметра в толстостенных заготовках и отсутствие научно обоснованных рекомендаций по выбору его режимов. Поэтому исследования и разработки, направленные на эффективное применение дорнования для обработки глубоких отверстий малого диаметра в толстостенных заготовках, являются актуальными.
Цель работы - обеспечение точности и качества поверхностного слоя глубоких отверстий малого диаметра в толстостенных заготовках дорнованием твердосплавными прошивками.
Методы исследований. В работе использовались основные положения технологии машиностроения, теоретической механики, сопротивления материалов, аналитической геометрии, теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных условиях с использованием современной измерительной аппаратуры. Обработка экспериментальных данных и аналитические исследования выполнялись на персональном компьютере.
Научная новизна состоит в:
установленных закономерностях формирования параметров качества поверхностного слоя и точности при дорновании глубоких отверстий малого диаметра (d = 1.. .3 мм, L = (4... 100)d) в толстостенных заготовках;
установленных закономерностях процесса базирования заготовок при дорновании и условиях их самоустанавливаемости;
выявленных особенностях механического поведения технологических систем дорнования глубоких отверстий малого диаметра.
Практическая ценность заключается в:
конструкциях твердосплавных прошивок и устройств для дорнования глубоких отверстий малого диаметра (d =1...3 мм, L = (4... 100)d), а также рекомендациях по проектированию этих устройств;
предложенном способе базирования заготовок при дорновании отверстий по схеме сжатия, обеспечивающем самоустанавливаемость заготовок неограниченно большой высоты (глубины отверстия);
рекомендациях по выбору режимов дорнования глубоких отверстий малого диаметра в толстостенных заготовках из углеродистых и малолегированных конструкционных сталей^ цветных металлов и сплавов, обеспечивающих высокую точность отверстий и качество их поверхностного слоя;
предложенном технологическом процессе изготовления токоподводящих наконечников для сварки плавящимся электродом в защитных газах, позволяющим значительно увеличить их долговечность;
использовании результатов выполненных исследований в учебном процессе - при чтении лекций по дисциплине «Технология машиностроения» в Томском политехническом университете.
Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором в сотрудничестве с коллегами кафедры «Технология машиностроения, резание и инструменты» Томского политехнического университета. Участие в работе отраженно в совместных публикациях. Личный вклад автора включает проведение экспериментальных и теоретических исследований, обработку и представление их результатов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения, резание и инструменты» Томского политехнического университета в период с 1999 по 2004г.г., а также были доложены на следующих конференциях; Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы повышения качества машиностроительной продукции» (Владимир, 1999), Научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 1999), International Conference «Fundamental and applied technological problems of machine building» (Oryol, 2000), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, 2000), Технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2001), Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002), I Международной конференции «Современные проблемы машиностроения и приборостроения» (Томск, 2002), Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивная технология и экономика в машиностроении» (Юрга, 2003).
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ машиностроительного факультета Томского политехнического университета, а также в рамках тематического плана НИР, проводимого по заданию Министерства образования РФ.
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, изложенных на 161 странице машинописного текста, содержит 96 рисунков, 14 таблиц, список литературы, включающий 105 наименований, 2 приложения.
В первой главе представлен анализ современного состояния рассматриваемых вопросов на основе экспериментальных и теоретических работ российских и зарубежных ученых и сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе рассмотрены закономерности процесса базирования заготовок, осуществляемого инструментом перед собственно дорнованием отверстия. Выявлены условия самоустанавливаемости заготовок, предложен рациональный способ их базирования при дорновании глубоких отверстий малого диаметра. Описаны новые конструкции твердосплавных прошивок и устройств для дорнования глубоких отверстий малого диаметра. Приведены результаты исследования закономерностей механического поведения технологических систем дорнования глубоких отверстий малого диаметра, даны рекомендации по их проектированию.
В третьей главе приведены методики и результаты экспериментальных исследований закономерностей контактного взаимодействия инструмента с толстостенной заготовкой при дорновании отверстий малого диаметра. Показано влияние режимов обработки и механических свойств материала заготовок на усилия дорнования, фактическую ширину контакта рабочего конуса прошивки с заготовкой, средние контактные давления, усадку отверстий и деформации прошивки. Предложены эмпирические зависимости для расчета усилий дорнования и усадки отверстий. Сформулированы рекомендации по выбору режима дорнования отверстий.
*
В четвертой главе описаны результаты экспериментальных исследований точности, шероховатости поверхности и наклепа поверхностного слоя при дорновании глубоких отверстий малого диаметра в толстостенных заготовках. Приведен новый технологический процесс изготовления токоподводящих наконечников для сварки плавящимся электродом в защитных газах, включающий операции дорнования глубокого отверстия малого диаметра и позволяющий значительно увеличить долговечность этих деталей. Показана высокая экономическая эффективность предлагаемого технологического процесса.
В заключении сформулированы общие выводы по работе.
В приложении приведены акты об использовании результатов диссертационной работы.
Основные закономерности и технологические возможности дорнования
Процесс дорнования (деформирующего протягивания, прошивания), как известно, состоит в холодном пластическом деформировании заготовки при поступательном перемещении через отверстие с некоторым натягом специального инструмента. При этом происходит повышение точности отверстий, интенсивное сглаживание микронеровностей и упрочнение поверхностного слоя; после дорнования на оптимальном режиме в поверхностном слое формируются сжимающие остаточные напряжения [42, 46, 57, 59, 61, 66, 97].
В качестве инструмента при дорновании используют стальные и твердосплавные шары, однозубые ж многозубые стальные и твердосплавные прошивки и протяжки (рис. 1.1). Рабочая часть зубьев прошивок и протяжек в большинстве случаев оформляется в виде двух усеченных конусов, соединенных цилиндрической ленточкой. Оптимальные значения углов конусов составляют 6... 10, ширина цилиндрической ленточки - 0,1...3 мм [46, 55, 62].
Инструменты диаметром с1 10мм выполняются сборными [62], инструменты меньших диаметров часто изготавливаются целиком из твердого сплава. Наиболее работоспособными являются инструменты из твердых сплавов группы ВК (ВК6, ВК8, ВЮ5, ВК20) [46, 62]. Находят также применение инструменты с износостойкими покрытиями [37,94] и инструменты, на рабочие поверхности которых нанесен регулярный микрорельеф [98].
В относительно коротких заготовках (L/D 4...8, D - наружный диаметр заготовки) дорнование отверстий выполняют по схеме их сжатия (рис. 1.1, а...г), используя в качестве инструмента шары, прошивки или протяжки. Обработку более длинных заготовок осуществляют с их растяжением (рис. 1.1, д) или осевым заневоливанием (рис. 1.1, е), применяя протяжки [55, 62].
Напряженно-деформированное состояние заготовки в процессе дорнования и его технологические возможности очень существенно зависят от отношения толщины стенки заготовки к диаметру ее отверстия (t/d). Авторы [59] на основе результатов экспериментальных и теоретических исследований предложили разделять подвергаемые дорнованию заготовки на два типа: с конечной (t/d l) и бесконечной (t/d 1) толщиной стенок (называемые нами соответственно тонкостенными и толстостенными).
При t/d і заготовка в процессе дорнования отверстия может подвергаться сквозной пластической деформации. Материал заготовки в контактном слое находится в условиях, близких к объемному сжатию [40,59,63]. В остальной части заготовки напряженно-деформированное состояние близко к состоянию трубы, подвергнутой воздействию равномерного внутреннего давления [55, 59,63]. Фактическая ширина контакта рабочего конуса инструмента с заготовкой Ьф (рис. 1.2, а) из-за изгиба ее стенок в целом оказывается существенно меньше ее геометрической ширины, определяемой зависимостью Lr = a/2sina, где а — натяг на зуб, а — половина угла рабочего конуса инструмента [59]. В зависимости от соотношения между внеконтактной деформацией за рабочим конусом инструмента hBK и упругим восстановлением материала заготовки hyB (см. рис. 1.2, а), определяемого режимом дорнования, оно может сопровождаться как положительной, так и отрицательной усадкой (разбивкой) отверстия (hyc) [59]. При t/d l, реализация сквозной пластической дефо рмации заготовки становится невозможной при любых суммарных натягах дорно вания — наружные слои заготовки всегда находятся в упругом состоянии [59]. Материал заготовки в очаге пластических деформаций находится в условиях всестороннего неравно мерного сжатия [59, 63, 95]. Фактическая ширина кон такта заготовки с рабочим конусом инструмента Ьф (рис. 1.2,6) близка к геометрической Lr или несколько превышает ее из-за наплыва материала, образующегося впереди инструмента [59]. Принято считать [34, 59], что при t/d 1 деформация упругого восстановления материала заготовки hyB значительно превосходит внеконтактную деформацию hBK. Вследствие этого при дорновании отверстий в заготовках с t/d 1 всегда имеет место только положительная усадка отверстий hyc (рис. 1.2, б) [34, 59].
К основным параметрам режима дорнования относится суммарный натяг а и натяг на зуб (за цикл) а. Эти параметры, в значительной степени определяя напряженно-деформированное состояние заготовки, в частности, контактные давления, внеконтактную деформацию за рабочим конусом инструмента и деформацию упругого восстановления материала заготовки, оказывают решающее влияние на результаты обработки [40, 59].
Дорнование отверстий в заготовках с t/d 1 может осуществляться с суммарными натягами, достигающими (0,l...0,2)d; и сопровождаться значительными изменениями всех размеров заготовки [46,55,62]. С увеличением суммарного натяга и уменьшением натяга на зуб контактные давления возрастают и достигают значений, равных 6...9 пределам текучести материала заготовки [59, 61]. При этом деформация упругого восстановления материала заготовки увеличивается, а внеконтактная деформация за рабочим конусом инструмента - уменьшается [59].
При дорновании отверстий в заготовках с t/d 1 суммарные натяги рекомендуется принимать не более 0,0Id, а натяги на зуб - не более 0,01...0,05 мм [59]. Увеличение суммарного натяга при указанных значениях натягов на зуб ведет к росту контактных давлений, которые становятся столь же высокими, как и при дорновании отверстий в заготовках с t/d 1 [59]. При этом деформация упругого восстановления и усадка отверстий возрастают [34,59]. В случае использования суммарных натягов более 0,0Id наблюдаются специфические искажения формы образующих отверстия у торцов заготовки [8, 9, 13, 59], причины образования которых остаются не совсем ясными.
Скорость дорнования в диапазоне ее изменения от 1 до 30 м/мин оказывает слабое влияние на его энергосиловые параметры и результаты обработки [59].
Важную роль в процессе дорнования играет применяемый смазочный материал, устраняющий схватывание инструмента с заготовкой и обеспечивающий снижение деформирующего усилия, повышение точности и качества поверхностного слоя отверстий [59, 61, 62, 65], При обработке заготовок из углеродистых и малолегарованных конструкционных сталей в качестве смазочного материала рекомендуется использовать жидкости на масляной основе МР-1, МР-2, МР-3 [59]. При дорновании отверстий в заготовках из нержавеющих, высоколегированных сталей и сплавов применяются специальные смазочные материалы на основе эпоксидных смол и твердых наполнителей типа графита, дисульфида молибдена, нитрида бора и др. [59].
Возможность достижения высокой точности отверстий (до IT6...IT8) наряду с очень высокой производительностью является одним из основных достоинств процесса дорнования [59,62, 66]. Вместе с тем, точность обработки при дорновании определяется целым рядом разнообразных факторов, сочетание которых определяет эффективность этого метода обработки, К числу таких факторов относятся [56,62]: режим дорнования (суммарный натяг и натяги на зуб), толщина стенки заготовки, конструктивные особенности обрабатываемых заготовок, их физико-механические свойства, конструктивные параметры инструмента и другие [62,66]. Многочисленными исследованиями установлено, что наиболее высокая точность отверстий достигается только при использовании малых натягов (а 0,0Id) на последних зубьях инструмента [56, 62]. Рекомендации по выбору режимов дорнования отверстий в зависимости от характеристик заготовок, содержатся в ряде работ [46, 55, 56, 59, 62 ,81].
Разработка конструкций устройств и инструментов для дорнования глубоких отверстий малого диаметра
В основу конструкций устройств положена показанная на рис. 2.14 модифицированная схема дорнования отверстий однозубой прошивкой, перемещаемой цилиндрическим толкателем [68]. Отличительной особенностью этой схемы является установка прошивки в направляющей втулке, выполненной из эластичного антифрикционного материала (например, фторопласта), с гарантированным натягом. Это позволяет при наименьшей длине (и наибольшей прочности) прошивки обеспечить надежное базирование заготовки ее рабочим конусом, снизить перекосы и изгиб прошивки при входе в обрабатываемое отверстие и, в конечном счете, использовать для дорнования глубоких отверстий малого диаметра (d = 1... 3 мм) прошивки из твердого сплава, обладающие высокими технологическими возможностями.
Опыты показали, что длина цилиндрической ленточки прошивки может быть принята равной (1...1,5) dH (dH — диаметр ленточки), длина рабочего конуса - (2...3)dH, а длина обратного конуса - (0,5...1)dH. Углы конусов для повышения прочности прошивки целесообразно принимать равными 6. Установлено, что в процессе дорнования усилие на прошивку нужно передавать строго центрально. С этой целью поверхность прошивки, контактирующую с торцом толкателя, необходимо выполнять сферической. Внецентренное приложение усилия к прошивке приводит при дорновании к ее перекосам и образованию дополнительных погрешностей обработки отверстий.
Сказанное подтверждают результаты экспериментов, выполненных на втулках из стали 20Х (НВ = 1500МПа) с а=15мм, D = 45 мм и L = 24 мм с помощью приспособления, схема которого приведена на рис. 2.15. Дорнование отверстий выполняли однозубыми стальными прошивками (сталь 111X15, HRQ 62...65) с углами рабочего и обратного конусов 6 и шириной ленточки в = 1...3 мм, Натяг дорнования был принят равным ОД мм. Перед дорнованием отверстия втулок растачивали, обеспечивая Ra = 2,5 мкм. Дорнование осуществляли при различном эксцентриситете Єї приложения усилия, который изменяли от 0 до 6 мм. После дорнования с помощью кругломера «Talyrond 200» фирмы «Taylor Hobson» (Великобритания) в среднем сечении по высоте втулок снимали круглограммы отверстий. На этом же приборе фиксировали профилограммы образующих отверстий. Как видно из рис. 2.16 и рис. 2.17, где показаны некоторые результаты экспериментов, внецентренное приложение усилия к прошивке ведет к образованию значительных дополнительных погрешностей формы отверстий в поперечном и продольном сечениях, а также дополнительных погрешностей расположения отверстий и опорного торца втулок.
Для дорнования глубоких отверстий малого диаметра разработаны устройства двух основных конструктивных разновидностей [71, 72, 74, 76].
Конструктивная схема устройства с призматическими направляющими для толкателя прошивки [76] показана на рис. 2.19. Оно состоит из корпуса 1, в верхнюю часть которого запрессована направляющая втулка 2. В отверстии этой втулки с натягом размещена однозубая прошивка 3 и с зазором -толкатель 4. В нижнюю часть корпуса 1 запрессована опорная втулка 5, на которую устанавливается обрабатываемая заготовка 6 (приспособление для ее базирования на рис. 2.19 не показано). Поддерживающий узел для напряжений в стыке толкатель - траверса в средней части последней выполнено утолщение. Для регулировки зазоров между толкателем и пазом А служат прокладки 13. Устройство работает следующим образом. Обрабатываемая заготовка б устанавливается на втулку 5. При перемещении штока 15 пресса и перекладины 14 вниз вместе с ними по пазам Б перемещаются скалки 11, соединенные траверсой 12, которая перемещает вниз по пазу А толкатель 4. Последний, в свою очередь, проталкивает через отверстие заготовки 6 прошивку 3, которая падает в провальное отверстие во втулке 5. При перемещении штока пресса вверх траверса 12 воздействует на поперечину толкателя и возвращает его в исходное положение. Прошивка 3 устанавливается во втулку 2 и цикл дорнования повторяется.
Таким образом, в описанном устройстве длина толкателя прошивки становится минимальной (траверса вплотную может подойти к корпусу). Благодаря этому, а также тому, что поддержание толкателя обеспечивается по всей его длине, достигается высокая надежность устройства в эксплуатации. Очень важно, что это устройство является и весьма простым в изготовлении.
Вместе с тем, при диаметре обрабатываемого отверстия 1 мм и менее применение устройства с призматическими направляющими для толкателя становится уже затруднительным из-за уменьшения толщины траверсы. Кроме того, оказывается затруднительным изготовление поперечины толкателя.
Поэтому для дорнования глубоких отверстий диаметром d 1мм было разработано устройство с пластинчатыми направляющими для толкателя прошивки [71]. Конструктивная схема этого устройства показана на рис. 2.20. Оно состоит из корпуса 1, в верхнюю часть которого запрессована направляющая втулка 2. В ней с натягом размещена прошивка 3 и с зазором -толкатель 4, закрепленный винтом 5 в штоке пресса. В нижнюю часть корпуса 1 запрессована опорная втулка 6, на которую устанавливается обрабатываемая заготовка 7 (приспособление для ее базирования на рис. 2.20 не показано). Для поддержания толкателя служат пластины 8 с запрессованными в них втулками 9 из эластичного антифрикционного материала с центральным отверстием, в котором толкатель установлен с натягом. Пластины 8 по концам содержат бобышки с отверстиями, которыми они свободно установлены на запрессованные в корпус 1 колонны 10, 11, 12 и 13. Причем каждая пара этих колонн, несущая пластину 8, размещена в различных проходящих через ось толкателя 4 плоскостях. На штырях 14 и 15, запрессованных соответственно в верхнюю часть колонн 10, И, 12 и 13 и бобышки пластин 8, смонтированы возвратные пружины 16, 17, 18 и 19.
Деформации инструмента под действием силовых нагрузок и их влияние на погрешности формы отверстий
Непосредственное измерение упругих деформаций инструмента (уменьшение диаметра его зуба) в процессе дорнования отверстий малого диаметра (d =1...3 мм) является затруднительным. Поэтому деформации исследовали при дорновании отверстий однозубыми стальными протяжками диаметром 12,588 мм и 19,356 мм и по ним косвенно судили о деформации инструментов малого диаметра. Эксперименты проводили по описанной выше методике на заготовках из стали 20.
Результаты экспериментов в виде графиков зависимостей диаметра инструмента (цилиндрической ленточки зуба) в процессе дорнования от расстояния от входного торца заготовки приведены на рис. 3.22 и 3.23. Здесь же для сравнения даны графики зависимостей диаметра обработанного дорнованием отверстия от этого расстояния, которые характеризуют отклонения профиля продольного сечения отверстия.
Как видно из рис. 3.22 и 3.23, стальные инструменты использованных диаметров обнаруживают в процессе дорнования значительные упругие деформации, которые даже при сравнительно небольших натягах (а = 0,05...0,1 мм) оказываются равными по величине допускам 7...9 квалитетов. По мере удаления инструмента от входного и выходного торцов заготовки его деформации увеличиваются и достигают наибольшего значения в средней части отверстия, которой соответствует установившаяся стадия процесса дорнования.
Анализ данных, представленных на рис. 3.22 и 3.23, показывает, что возникающие у торцов заготовки отклонения профиля продольного сечения отверстия («краевой эффект» [8] ) в основном (на 60...80 %) обусловлены деформациями инструмента. Последний из-за облегченных условий течения металла у торцов заготовки [8, 55, 59] испытывает меньшие нагрузки и деформации, чем в средней части отверстия. Причем отклонение профиля продольного сечения отверстия на входном участке значительно больше, чем на выходном, а длина входного участка существенно больше, чем выходного. Это объясняется тем, что условия пластического течения металла на выходном участке, прилегающим к опорному торцу заготовки, являются более стесненными, чем на входном.
Необходимо заметить (см. рис. 3.22, б), что диаметр инструмента на установившейся стадии процесса дорнования, осуществляемого с натягом 0,226 мм и более, оказывается меньше диаметра обработанного отверстия. Это убедительно доказывает факт наличия в процессе дорнования толстостенных заготовок волны внеконтактной деформации, следующей за рабочим конусом зуба инструмента.
Путем обработки результатов экспериментов установлено, что с увеличением натяга и диаметра инструмента его деформации возрастают. Причем зависимости возникающей на установившейся стадии процесса дорнования относительной деформации инструментов различных диаметров от натяга совпадают друг с другом (рис. 3.24). Иными словами, относительная деформация инструмента при одноцикловом дорновании отверстий в толстостенных заготовках из данного материала определяется величиной натяга, увеличиваясь с ростом последнего. Подчеркнем, что эта зависимость (рис. 3.24) находится в соответствии с зависимостью средних контактных давлений от натяга (рис. 3.21). Действительно, с увеличением натяга (а) средние контактные давления снижаются, но одновременно быстро возрастает ширина контакта рабочего конуса инструмента с заготовкой и нормальная сила, действующая на рабочий конус, что сопровождается ростом упругих деформаций инструмента. Например, при увеличении натяга от 0,05 до 0,2 мм (рис. 3.21, а) средние контактные давления при дорновании отверстий в заготовках из стали 20 снижаются с 1705 до 1120 МЛа, т.е. примерно в 1,5 раза. При этом ширина контакта инструмента с заготовкой возрастает более чем в 3 раза, а нормальная сила — примерно в 2,6 раза.
Основываясь на установленной закономерности (рис. 3.24), выполним оценку деформаций твердосплавных инструментов малого диаметра в процессе дорнования заготовок из стали 20. Предположим, что производится дорнование отверстий диаметром 1 и 3 мм инструментами из твердого сплава ВК8 (Е = 6 10s МПа) с натягом 0,05 мм. Относительная деформация инструмента из стали ШХ15 (Е = 2-105МПа) при этом натяге составляет 0,0012 (рис. 3.24). Тогда ожидаемые деформации твердосплавных инструментов диаметром 1 и 3 мм составят соответственно 0,0004 и 0,0012 мм. При дорновании отверстий этих диаметров в заготовках из стали 45 в связи с ростом средних контактных давлений (см. рис. 3.21, б) деформации инструментов будут примерно на 15 % больше. Таким образом, деформации твердосплавных инструментов малого диаметра даже при относительно большом натяге оказываются малыми - не превышающими допуска 3 квалитета. С уменьшением натяга они будут еще меньше. В связи с этим при дорновании отверстий малого диаметра в отожженных толстостенных заготовках из углеродистых конструкционных сталей следует ожидать появления незначительных «краевых эффектов» и высокой точности обработки. Причем при больших исходных погрешностях отверстий (ЇТ11...ІТ12) наиболее высокая их точность может быть достигнута при многоцикловом дорновании, когда на последнем цикле дорнования используются малые натяги (a = 0,01...0,02 мм), которым соответствуют малые деформации инструмента.
Технологические возможности дорнования при обработке глубоких отверстий малого диаметра с L =(50...100)d
Исследования проводили при обработке отверстий диаметром 2 мм глубиной 100 и 200 мм, выполненных в цилиндрических заготовках из сталей 20Х (НВ = 1500 МПа) и 40Х (НВ = 2200 МПа) с наружным диаметром 40 мм. Исходные отверстия получали сверлением спиральным сверлом специальной конструкции (из быстрорежущей стали Р6М5) на радиально-сверл ильном станке модели 2К52-1 и токарно-винторезном станке модели 16Б05АФЇ0. Для уменьшения увода оси отверстия заготовки зацентровывали, а сверление спиральным сверлом осуществляли с последовательным увеличением его вылета [93] при скорости резания 20 м/мин с ручной подачей инструмента, которая составляла 4...8мм/мин. Для смазки и охлаждения сверла использовали жидкость МР-7.
Дорнование отверстий выполняли однозубыми прошивками из твердого сплава ВК8 с а=аі=3 и в = 2 мм. Обработку проводили с помощью устройства с призматическими направляющими для толкателя прошивки (рис. 2.19) на испытательной машине УМЭ-10ТМ, оснащенной однокомпонентним упругим динамометром. (Общий вид машины с устройством для дорнования, динамометром и регистрирующей аппаратурой показан на рис. 4.17). Скорость дорнования составляла 0,1 м/мин, суммарный натяг дорнования достигал 0,155 мм. В качестве смазочного материала при дорновании отверстий использовали жидкость МР-7, нанесение которой на поверхность глубокого отверстия осуществляли с помощью устройства, показанного нарис. 2.21.
Диаметр отверстий контролировали нутромером фирмы «Carl Zeiss Jena» (Германия), снабженном индикаторной головкой с ценой деления 0,002 мм. Для измерения отклонений от круглости отверстий использовали кругломер «Taylorond 200». Диаметр отверстий и их отклонение от круглости фиксировали как на цельных заготовках (на расстоянии до 10 мм от торцов), так и после их разрезки по глубине отверстия. Шероховатость поверхности глубоких отверстий и наклеп их поверхностного слоя измеряли по методикам, описанным в предыдущих разделах. Увод осей отверстий и их отклонение от прямолинейности определяли по известной методике [49]. На наружной поверхности заготовки (по образующей) наносили риску. Затем заготовку на электроэрозионном станке разрезали на диски. На каждом диске, ориентированном по риске, на микроскопе УИМ-21 измеряли смещения оси отверстия относительно оси наружной поверхности в двух взаимно перпендикулярных направлениях. На основе полученных таким образом данных и находили увод оси отверстия в зависимости от его глубины, а также отклонения оси отверстия от прямолинейности,
При дорновании отверстий первой прошивкой наблюдается значительное колебание усилия (его вариации достигают 2 раз), обусловленное изменениями по глубине отверстия (из-за погрешностей его диаметра и формы) натяга дорнования, а также параметров шероховатости поверхности. По мере увеличения суммарного натяга дорнования (при обработке отверстия второй, третьей и четвертой прошивками) микронеровности поверхности отверстия все в большей степени сглаживаются, точность его возрастает и вариации усилия по глубине отверстия становятся все меньше. При дорновании отверстий в заготовках из стали 40Х (НВ = 2200 МПа) усилия при одинаковых режимах оказываются примерно в 1,5 раза больше, чем при дорновании отверстий в заготовках из стали 20Х (НВ = 1500 МПа). В целом процесс дорнования отверстий глубиной L =-(50,.. 100)d протекает без заметных скачков усилия и практически ничем не отличается от процесса дорнования отверстий, глубина которых составляет 4d. Следов взаимодействия толкателя прошивки с обработанной поверхностью глубокого отверстия не обнаружено.
Отмеченный в работе [2] эффект резкого ввггалкивания прошивки на выходе из глубокого отверстия, вызываемый высвобождением потенциальной энергии упруго сжато-изогнутого толкателя, при дорновании глубоких отверстий малого диаметра проявляется слабо и его можно не учитывать.
Результаты исследования точности и шероховатости поверхности отверстий глубиной 100 мм после сверления и дорнования отверстий приведены в табл. 4.3 (данные получены при обработке 10 заготовок из каждого материала) и на рис. 4.19. Как видно из табл. 4.3, дорнование позволяет резко уменьшить высоту микронеровностей, а также обеспечить высокую точность диаметра отверстий - она повышается с 11 ...12 до 7 квалитета [69].
