Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса, цель и задачи исследований
1.1. Анализ конструкций резьбовых резцов с однопрофильными и многопрофильными пластинами и способы их крепления 10
1.2. Классификация основных видов резьб и требования по точности их изготовления 19
1.3. Выбор материала режущей части резьбовых резцов 22
1.4. Определение оптимальных геометрических параметров резьбовых резцов 25
1.5. Исследования в области нарезания резьбы резцами 26
Глава 2. Исследование условий работы резцов для нарезания резьбы
2.1. Особенности кинематики процесса нарезания резьб резьбовыми резцами с однопрофильными и многопрофильными твердосплавными пластинами 41
2.2. Анализ схем резания при нарезании резьб резьбовыми резцами 46
2.3. Исследование напряженно-деформированного состояния элементов рабочей части резьбового резца 52
2.4. Исследование геометрических параметров резьбового резца в процессе нарезания резьбы 63
2.5. Разработка резьбового резца с поворотной державкой 66
2.6. Причины, приводящие к ухудшению режущих свойств резьбовых резцов и способы их устранения 71
Глава 3. Исследования силовых зависимостей процесса нарезания резьб резьбовыми резцами
3.1. Изучение действующих сил и напряжения в режущей части резьбового резца с многопрофильной твердосплавной пластиной 81
3.2. Экспериментальные исследования силовых зависимостей процесса нарезания резьбы резцами на изделиях с прерывистой поверхностью 87
3.3. Исследование силовых зависимостей и погрешностей элементов резьбового профиля на стадиях врезания и выхода резьбового резца 100
Глава 4. Анализ основных параметров точности резьбы и погрешностей возникающих при резьбонарезании 115
4.1. Определение теоретического профиля резьбы и его предельные отклонения 117
4.2. Классификация погрешностей возникающих при обработке резьбы в технологической системе 120
4.2.1. Погрешности установки резьбового резца относительно обрабатываемого изделия 127
4.2.2. Влияние смещений вершины резца вдоль осей ОХ, ОУ и OZ на элементы профиля резьбы 129
4.2.3. Изменение положения передней поверхности резьбового резца относительно осей ОХ, ОУ и OZ и его воздействие на элементы профиля резьбы 137
4.3. Определение допустимых погрешностей изготовления и базирования твердосплавных резьбонарезных пластин в корпусе инструмента 143
4.4. Влияние деформации режущего инструмента на процесс нарезания резьбы 149
4.5. Расчет результирующих погрешностей элементов профиля резьбы 153
4.6. Моделирование погрешностей резьбового профиля, возникающих в технологической системе при нарезании резьбы резцами 154
4.7. Разработка системы автоматизированного расчета погрешностей профиля резьбы и рекомендации 160
Глава 5. Особенности работы резьбовых резцов при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов
5.1. Классификация труднообрабатываемых сталей и сплавов 169
5.2. Материал и геометрические параметры рабочей части резьбовых резцов при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов 173
5.3. Режимы резания при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов 174
5.4. Схемы резания при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов 175
5.5. Применение износостойких покрытий при обработке труднообрабатываемых сталей 177
5.6. Исследование эффективности режущих пластин с износостойкими покрытиями 178
5.7. Влияние износа резьбового резца на параметры точности резьбы 186
Основные выводы 191
Список литературы 194
Приложения 203
- Классификация основных видов резьб и требования по точности их изготовления
- Исследование напряженно-деформированного состояния элементов рабочей части резьбового резца
- Экспериментальные исследования силовых зависимостей процесса нарезания резьбы резцами на изделиях с прерывистой поверхностью
- Классификация погрешностей возникающих при обработке резьбы в технологической системе
Введение к работе
Резьба в машиностроении имеет широкое распространение и используется как для крепежных деталей, так и для механизмов передающих движение. Расширение области применения резьбы и диапазона инструментов для ее изготовления привело к повышению требований к точности резьбы и, как следствие, к появлению высокоточных методов для ее получения.
Для образования резьбовых поверхностей резанием используют различные способы: нарезание резцом, гребенками, метчиками, плашками, самооткрывающимися винторезными головками, фрезерование, резьбопротягивание. Метчики, плашки, самооткрывающиеся винторезные головки, гребенчатые резьбовые фрезы, фрезерные головки, работающие при внешнем и внутреннем касании, резцовые резьбопротяжные головки, как правило, обрабатывают резьбу за один рабочий ход, а резьбовые резцы и гребенки - за несколько проходов. Наиболее распространено многопроходное нарезание резцами с твердосплавными резьбонарезными пластинами, которое по сравнению с другими способами имеет ряд преимуществ: высокую точность и низкую шероховатость обработанной резьбы; простоту и дешевизну конструкции инструмента; универсальность - возможность одним резцом нарезать резьбы одинакового шага на деталях различного диаметра.
Производительность многопроходного нарезания резьбы резцом значительно уступает производительности при однопроходной обработке резцовой головкой, оснащенной твердым сплавом, работающей по способу резьбопро-тягивания. Однако такие резцовые головки очень сложны по конструкции, дороги, недостаточно надежны в эксплуатации и предназначены для обработки резьбы только одного диаметра и шага.
Нарезание резцом, как и другие способы обработки резьб резанием, по производительности уступает резьбонакатыванию. Поэтому его применяют в основном для изготовления точных крепежных резьб, когда резьбонакаты-вание не может обеспечить необходимого качества обработки, а также в тех случаях, когда применение резьбонакатывания затруднено или экономически не оправдано (обработка резьб большого диаметра, индивидуальное производство и т.п.). К тому же, при изготовлении различных изделий, имеющих резьбовые поверхности, используются труднообрабатываемые материалы, что исключает возможность применения таких высокоэффективных и хорошо поддающихся автоматизации процессов, как накатывание или выдавливание резьб. По этой же причине, а также вследствие наличия специфических конструкторских требований (соосность резьб с базовыми поверхностями изделия, жесткая регламентация сбега резьбы и зарезьбовой канавки) не удается применять самооткрывающиеся винторезные головки.
Оснащение резцов твердосплавными пластинками и автоматизация цикла резьбонарезания на современных станках с ЧПУ позволяет свести машинное время к величине, сопоставимой со временем обработки на других операциях технологического процесса.
Таким образом, нарезание резьбы резцами с твердосплавными пластинами является одним из самых высокопроизводительных способов, причем с ухудшением обрабатываемости материала нарезаемой детали его относительная производительность все более возрастает. В сочетании с достоинствами, отмеченными выше, это и привело к тому, что при обработке точных крепежных резьб этот способ получил наибольшее распространение.
При проектировании инструмента, для оптимизации его конструкции в ряде случаев приходится исследовать вопросы, связанные с точностью обработки детали принимаемым инструментом. К ним относят оценку погрешностей, возникающих при аппроксимации теоретически требуемого профиля инструмента технологически удобными линиями вследствие погрешностей изготовления инструмента, появляющихся от неточности установки инструмента относительно детали, от упругих деформации в технологической системе и др.
Эти вопросы можно исследовать путем решения обратной задачи: по заданному профилю инструмента и параметрам расположения его относительно детали определить профиль (форму) обрабатываемой им детали. Актуальность работы. Исследованию вопросов нарезания резьбы резцами посвящены работы В. Ф. Боброва, Г. И. Грановского, Б. М. Пушмина, А. В. Моисеева, Е. М. Орлова и многих других ученых. В частности, изучение процесса изнашивания и разрушения резьбовых резцов, определение стойкости твердосплавных резьбовых пластин выполнялось в работах А. Н. Конкина, В. Г. Болотникова, А. С. Верещаки. Данные исследования направлены на повышение надежности твердосплавного инструмента на основе оценки его качественных характеристик и нанесения износостойких покрытий.
Исследования точности параметров резьб, получаемых при нарезании резьбовыми резцами, проводились в работах Г. Э. Таурита, С. С. Добрянского, В. Н. Сулейманова, В. Г. Якухина, В. П. Ефимова. Данные исследования были ориентированы на установление факта и причин формирования диаметральных погрешностей обработки резьбы резьбовыми резцами. Задача устранения этих погрешностей или не ставилась, или решалась в формате компенсации одних погрешностей обработки посредством других. В частности, компенсация погрешностей шага резьбы АР и половины угла профиля Аа/2 за счет изменения среднего диаметра резьбы Ad2. Погрешности обработки резьбы резьбовыми резцами с однопрофильными пластинами, как результат воздействия динамических факторов процесса на точность параметров резьбы были рассмотрены в работах А. С. Ямникова, С. Г. Гамова.
Некоторые вопросы нарезания резьбы резцами с однопрофильными и многопрофильными твердосплавными пластинами были изучены не полностью и требуют дополнительного исследования: установление способа для уменьшения влияния ударной нагрузки на стойкость и точность работы резьбовых резцов при обработке резьбы на прерывистых поверхностях; определение эффективности резьбовых пластин с износостойкими покрытиями для увеличения стойкости инструмента при нарезании резьбы на деталях из труднообрабатываемых материалов; установление функциональных зависимостей между изменениями, происходящими в технологической системе и погрешностями элементов профиля резьбы и их количественная оценка; выявление способов уменьшающих или устраняющих погрешности, оказывающие наиболее существенное влияние на точность изготовления резьбы; особенности динамики процесса нарезания резьбы резцами с многопрофильными пластинами.
Решение данных вопросов применения резьбовых резцов с однопрофильными и многопрофильными твердосплавными пластинами является актуальной задачей, поскольку позволяет повысить стойкость инструмента и точность процесса нарезания резьбы.
Цель работы. Повышение стойкости и точности резьбовых резцов с однопрофильными и многопрофильными твердосплавными пластинами.
Методы исследований. Основным методом в работе является расчетно-аналитический метод исследования процесса нарезания резьб и инструмента для его осуществления с разработкой программного обеспечения на языке Delphi 7. Это позволяет выявить причины, приводящим к тем или иным погрешностям на изделии, установить функциональные зависимости между причиной и погрешностью ею вызываемой, тем самым оценить количественно возникающие погрешности. Также производится оценка конструктивных параметров инструмента, кинематических, силовых и эксплуатационных факторов процесса. Научная новизна работы состоит в:
• математических зависимостях, учитывающих влияние смещения вершины и передней поверхности резьбового резца с однопрофильными и многопрофильными твердосплавными пластинами относительно заданных координатных осей в системе "инструмент-изделие" на точность профиля, среднего диаметра и шага обрабатываемой резьбы;
• значениях тангенциальной составляющей силы резания Pz в текущий момент времени процесса нарезания резьбы резцами с многопрофильными пластинами, в том числе на входе и выходе инструмента;
• теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении отрицательного влияния ударной нагрузки на стойкость и точность работы резьбовых резцов при обработке резьбы на прерывистых поверхностях и способе уменьшения этого влияния путем обеспечения равномерной нагрузки на режущие кромки инструмента. Практическая ценность работы состоит в:
• возможностях корректировки профиля резьбового резца с твердосплавными пластинами и назначению допусков на геометрические параметры инструмента с целью обеспечения заданной точности резьбы с использованием системы автоматизированного расчета;
• использовании резьбового резца с поворотной державкой для решения задач повышения точности нарезания резьбы и повышения стойкости инструмента.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на конкурсе-выставке "КОМПЬЮТЕРНЫЙ ИНЖИНИРИНГ", проведенный в рамках XXIX Гагаринских чтений (Москва, 2003г.) и получила 3-е место по разделу "Работы молодых специалистов", на международных научно-технических конференциях "Инструментальные системы - прошлое, настоящее, будущее" (Тула, 2003г.), "Конструкторско-технологическая информатика - 2005" (Москва, 2005г.), "Новые материалы и технологии" - НМТ-2006 (Москва, 2006г.) и заседаниях кафедры "Инструментальная техника и технология формообразования" МГТУ "Станкин".
Классификация основных видов резьб и требования по точности их изготовления
Основным видом классификации резьбы является ее деление по конструктивным и эксплуатационным признакам (рис. 1.5). С учетом основных конструктивных особенностей резьбу классифицируют: а) по форме поверхности: цилиндрическая и коническая; б) по расположению на поверхности детали: наружная и внутренняя; в) по форме профиля: треугольная, трапецеидальная, прямоугольная, упорная, круглая, ленточная; г) по числу заходов: однозаходная и многозаходная; многозаходная - резьба, образованная двумя или более выступами с равномерно расположенными захо дами; д) по направлению угла подъема резьбы: правая и левая; е) по диаметру: резьбы малых диаметров (до 6 мм), средних (6...60 мм) и боль ших диаметров (60...600 мм); ж) по длине: короткие, нормальные и длинные; з) по шагу Р: с мелким шагом (Р 1 мм) со средним шагом (Р = 1...2,5 мм), с крупным шагом (Р 3 мм); и) по выходу резьбы: со сбегом и без него; к) в зависимости от единицы измерения размеров: метрическая и дюймовая.
В соответствии с классификацией резьбы по эксплуатационным признакам различают резьбы общего и специального назначения. К резьбе общего назначения относится крепежная (метрическая и дюймовая - с углом профиля 60 и 55), кинематическая (трапецеидальная и упорная), трубная (цилиндрическая и коническая) и круглая. Специальной является резьба, применяемая для деталей определенного типа, например: резьбы для объективов микроскопов, Эдисона круглая, коническая вентилей и баллонов для газов и др.
Основное требование к крепежной резьбе - взаимозаменяемость, исходя из него, назначаются точностные характеристики резьбы. К кинематическим предъявляются жесткие требования в отношении точности перемещения ведомого звена. Характеристики точности такой резьбы определяются как условиями взаимозаменяемости, так и условиями точности перемещения.
Допуски для метрических резьб с крупным и мелким шагом для диаметров 1 -т- 600 мм регламентированы ГОСТ 16093-81, ISO 965-1. Этот стандарт устанавливает предельные отклонения диаметров резьбы типа скользящих и с зазороми. Установлены ряды основных отклонений (верхние для наружной резьбы и нижние для внутренней резьбы) и их обозначения h, g, f, е, d - для болтов и Н, G, Е, F - для гаек (основные отклонения Е и F устанавливаются только для специального применения при значительных толщинах слоя защитного покрытия).
Основные отклонения, определяющие положение полей допусков номинального профиля, зависят только от шага (кроме h и Н). Для резьбы с данным шагом одноименные основные отклонения для наружного, среднего и внутреннего диаметров равны (gd = gd2 = gdi) Значения допусков диаметров наружной и внутренней резьбы определяются степенью точности. Степени точности назначаются в зависимости от элементов резьбового профиля (табл. 1.1).
Выбор полей допусков для деталей резьбовых соединений производится в зависимости от их назначения. Поля допусков 4, 5-ой степени точности рекомендуется применять для ответственных резьб, где требуются малые колебания зазоров в посадках, поля допусков 6, 7-ой степени точности - в резьбах общего назначения, 8-ой степени точности - при получении резьб не требующих особой точности [29].
Поля допусков (с основными отклонениями g, е, d, G), обеспечивающие гарантированные зазоры в соединениях, применяются для достижения легкой свинчиваемости деталей даже при наличии небольшого загрязнения или повреждений, для компенсации температурных деформаций элементов резьбы, при нанесении на резьбу защитных покрытий. Наличие зазоров по диаметрам способствует также повышению динамической прочности резьбовых соединений.
Допуски среднего диаметра резьбы сЬ (D2) являются суммарными и ограничивают сумму отклонений собственно среднего диаметра АсЬ (AD2), шага АР и половины угла профиля А а/2.
При нарезании резьбы на резьботокарных полуавтоматах, универсальных токарных станках и станках с ЧПУ, применяют резцы с пластинками твердых сплавов [7]. Применение резцов из быстрорежущих сталей оправдано только на универсальных токарных станках вручную или когда нет возможности назначить скорость резания, равную оптимальной скорости для твердого сплава.
При нарезании резьбы на деталях из труднообрабатываемых сталей и сплавов, предел прочности которых не превышает 1177- -1275 МПа, применяют стали повышенной теплостойкости (Р9К5, Р9К10, Р9М4К8, Р6М5К5). Для резцов с пластинками твердых сплавов используют как однокарбидные, так и двухкарбидные сплавы (табл. 1.2). При нарезании метрической резьбы на деталях из серого и ковкого чугуна применяют сплавы ВК6 и ВК6М. Нарезание резьбы на деталях из углеродистых и легированных конструкционных сталей производят резцами из сплава Т15К6 при ав 1079 МПа и сплава Т30К4 при GB=1079+1471 МПа. Выбор марки твердого сплава при нарезании резьбы на деталях из труднообрабатываемых материалов определяется группой обрабатываемости, к которой принадлежит сталь или сплав.
Труднообрабатываемые материалы делят на восемь групп. Для групп I и II применяют сплав Т15К6, если ав 1471 МПа, и сплав ВК6М, если ав=1667 Ч-1765 МПа; для групп с III по VII - сплав ВК6М; для группы VIII, если а в 1716 МПа, - сплавы Т15К6 и Т30К4 и, если ав = 1716+2256 МПа, - сплавы ВК6М и ВКЗМ. Высокую износостойкость при нарезании метрической резьбы показывают резцы с пластинками из оксидно-карбидной режущей керамики ВОК-60 и ВОК-63.
Поскольку прочность режущей части резцов, нарезающих упорную резьбу, значительно ниже, чем резцов для нарезания резьбы метрической, то для них применяют сплавы с несколько меньшим содержанием карбидов вольфрама и титана и большим содержанием кобальта. Однако для уменьшения пластического деформирования вершины резца, происходящего под действием высоких контактных напряжений и температур, применять высококобальтовые сплавы, такие, как ВК8, Т5К10 и ТТ7К12, нельзя. Наилучшими сплавами, сочетающими достаточную прочность и формоустойчивость при нарезании резьбы на деталях из сталей с ав 1716 МПа, являются сплавы Т15К6, ТТ10К8Б и ВК6М. Сплав Т30К4 хотя и отличается высокой пластической прочностью, но его применение не рекомендуется вследствие частых сколов резца у вершинной режущей кромки.
Исследование напряженно-деформированного состояния элементов рабочей части резьбового резца
Исследованием данного вопроса занимались Бобров В. Ф., Зорев Н. Н., Лоладзе Т. Н., Якухин В.Г., Орлов Е. М. и другие ученые. Теоретические и экспериментальные исследования процесса и инструмента для нарезания резьб резцами ставят своей целью получение, в конечном счете, научно обоснованного справочного материала для практики конструирования инструментов и рационального назначения режимов и параметров процесса резьбонарезания. С этой точки зрения выбор конструктивного решения резьбового резца между цельным, составным и сборным решается с учетом известных исследованных и подтвержденных производственным опытом достоинств в пользу сборной конструкции. Выбор же способа и конструкции механизма крепления режущей пластины для резьбового резца требует проведения дополнительного анализа и исследования. Обусловлено это, прежде всего, тем, что работа всех известных механизмов крепления строится на создании различными средствами упруго-напряженного состояния и, следовательно, упругих деформаций в элементах механизма в статическом состоянии инструмента для удержания пластины при резьбонарезании, что принимается во внимание до начала обработки, например, при настройке инструмента. Однако, впоследствии, при резьбонарезании, под воздействием сил резания и других факторов процесса статическое упруго-напряженное состояние элементов механизма закрепления пластины и упругие деформации подвергаются спонтанным изменениям, учет которых в полной мере весьма затруднен.
При нарезании резьбы сборными резцами со сменными многогранными пластинами (СМП), на точность резьбы влияет схема их базирования и крепления, поскольку режущая пластина резьбового резца находится в сложном на пряженно-деформированном состоянии, которое можно представить в виде сочетания двух более простых состояний.
Первое состояние нагружения соответствует закреплению режущей пластины при отсутствии сил резания и смещению пластины только под воздействием сил ее закрепления - предварительного смещения, обычно учитываемого при закреплении пластины и настройке инструмента вне станка.
Второе состояние нагружения соответствует непосредственно процессу резьбонарезания при смещении пластины не только под предварительным воздействием сил ее закрепления, но также и воздействием возникающих сил резания, не учитываемых при закреплении пластины и настройке инструмента вне станка. Для повышения точности размеров и формы нарезаемой резьбы, данные смещения пластины должны быть минимальными, что может быть достигнуто выбором оптимальной схемы крепления.
Упругое взаимодействие элементов механизма крепления пластины при разных усилиях их затяжки и под воздействием различных по величине сил резания и тепловых деформаций протекает дифференцированно при неизменной жесткости механизма. В связи с этим определение или выбор конструкции механизма крепления режущих пластин резьбовых резцов должны учитывать, особенности кинетостатики и динамики процесса резьбонарезания.
Под воздействием многочисленных факторов, действующих при закреплении пластины и в процессе резьбонарезания, изменяется взаимное положение элементов механизма крепления. Это, в свою очередь, влечет нарушение связей между взаимодействующими элементами и, как следствие, - изменение относительного положения их рабочих поверхностей. Чтобы учесть это явление, внешние связи режущей пластины необходимо рассмотреть, как упругодефор-мирующиеся, а ее опорные точки как упругие элементы (рис. 2.3, а).
Режущая пластина принята за балку, лежащую на упругом основании, и нагруженную системой сил резания и закрепления пластины (рис. 2.3, б). При этом сделаны следующие допущения: режущая пластина является абсолютно жесткой; все деформации происходят за счет смещений в стыках. Изгибающий момент в сечении Y, при условии полного контакта режущей пластины с опорной поверхностью в корпусе резца, выразится как: где Mi - изгибающий момент у вершины резьбового профиля пластины; Pz - тангенциальная составляющая силы резания; М (Q) - изгибающий момент от силы закрепления Q режущей пластины. Условия нагружения режущей пластины силой резания на вершине резьбового профиля задают условия переменной жесткости в различных сечениях. С учетом этого, решение дифференциального уравнения изгиба балки на упругом основании с использованием функций Крылова имеет вид: где Yi(y), Y2(y), Y3(y), У4(у)-функции Крылова; f(0), f (0),f"(0), f (0}-константы. Y - частное решение уравнения (2.6), определяемое характером внешних нагрузок, и в общем виде имеющее вид: где М - изгибающий момент, приложенный в сечений с координатой di; Е - модуль упругости материала пластины; J - момент инерции в рассматриваемом сечении; Qi- сила закрепления режущей пластины, приложенная в точке с координатой dj; q - распределенная нагрузка на участке СрСг; 4 В4 = k/EJ (здесь к - коэффициент жесткости стыка). Изгибающий момент в рассматриваемом сечении определится как:
Наибольшие величины деформаций, перемещений и напряжений режущей пластины, механизма ее крепления и в целом резьбового резца возникают на этапе врезания инструмента в заготовку. Растягивающие напряжения концентрируются вдоль передней поверхности режущей пластины. Напряжения сжатия формируются вдоль задней поверхности режущей пластины, причем наибольшие их значения концентрируются при вершине резьбового профиля пластины. Радиальные деформации, возникающие при резьбонарезании, вызывают радиальные перемещения режущей пластины, механизма ее крепления, резьбового резца и влияют на точность обрабатываемой резьбовой поверхности.
Конструкции резьбовых резцов, созданных в разные годы, отличаются большим разнообразием применяемых способов крепления режущих пластин. Все эти способы могут быть сведены к нескольким принципиальным схемам, обобщающим известные способы базирования и закрепления пластин и кодированным Международной организацией по стандартизации ИСО (МС ИСО 5608 и ГОСТ 26476-85): в качестве единой системы кодирования токарного инструмента как М, Р, S, С (рис.2.4).
Экспериментальные исследования силовых зависимостей процесса нарезания резьбы резцами на изделиях с прерывистой поверхностью
В процессе нарезания резьбы, вследствие неоднородности материала, образования и срыва нароста, заклинивания стружки и т. п., силы резания изменяются в определенных пределах. К другой причине, вызывающей колебания значений силы резания, можно отнести обработку резьбы на изделиях с прерывистой поверхностью, например, имеющих шпоночный паз.
Очевидно, что при постоянной жесткости инструмента поле рассеивания значений среднего диаметра нарезаемой резьбы будет тем больше, чем больше поле рассеивания значений радиальной составляющей силы резания Ру. Поскольку между радиальной и тангенциальной составляющими сил резания существует прямая связь, то с увеличением колебаний тангенциальной составляющей силы резания точность нарезаемых резьб ухудшается.
Исследования изменений тангенциальной составляющей силы резания Pz при обработке резьб резцами выполнялись с помощью индуктивного преобразователя - модель 215 (3), электронно-измерительной системы - модель 214 (4), самопишущего быстродействующего прибора - модель 111338 (5), соединенных между собой, согласно схеме, показанной на рис.3.2. Тарировка значений силы резания Pz проводилась пружинным динамометром модели ДОСМ-3-1. В резцедержатель универсального токарно-винторезного станка мод. 16К20 Московского станкостроительного завода «Красный Пролетарий» им. А. И. Ефимова устанавливался индуктивный датчик мод. 215, наконечник которого настраивался на резьбовой резец со сменной неперетачиваемой пластиной по ТУ 19-4206-286-86 (рис.3.3, б). Индуктивный датчик соединялся которого настраивался на резьбовой резец со сменной неперетачиваемой пластиной по ТУ 19-4206-286-86 (рис.3.3, б). Индуктивный датчик соединялся экранированными проводами с электронно-измерительной системой мод. 214 для преобразования механических отклонений в электрический сигнал.
После стабилизации температуры всей аппаратуры и настройки электронно-измерительной системы производилось её подключение к самопишущему прибору Ш338, предназначенному для регистрации в аналоговой форме быстродействующих процессов, преобразованных в соответствующее значение электрического напряжения (рис. 3.3, а).
В процессе нарезания резьбы измерительный наконечник индуктивного датчика начинает перемещаться, что связано с деформацией инструмента под действием тангенциальной составляющей силы резания, а самописец начинает записывать отклонения. В результате на ленте самописца получаем диаграммы, которые позволяют определить величину и характер изменения тангенциальной составляющей Pz силы резания в зависимости от условий обработки.
В качестве заготовок использовались предварительно обработанные под резьбу М45хЗ валы из стали 40Х ГОСТ 4543-71 длиной / = 600 мм, представленные на рис. 3.4. Размеры заготовок и их предельные отклонения соответствовали ГОСТ 19258-73 «Стержни под нарезание метрической резьбы. Диаметры». Установка заготовки осуществлялась в трехкулачковый самоцентрирующий патрон базовой комплектации станка с поджатием задней бабкой и выполнялось нарезание резьбы М45хЗ / = 50 мм во всех экспериментах.
С целью получения достоверных результатов каждый эксперимент и тарировка выполнялась трижды. Обработка полученных результатов экспериментов, усреднение отдельных точек, аппроксимация результатов измерений выполнялись в соответствии с методикой, изложенной в [71,47, 16].
В первой серии экспериментов исследована закономерность изменения тангенциальной составляющей Pz силы резания в процессе обработки резьбы М45хЗ при различных скоростях резания. На рис. 3.5 показана, полученная в результате обработки диаграмм, закономерность изменения величины тангенциальной составляющей Pz силы резания в зависимости от глубины резания t (общей величины врезания режущих кромок резьбового резца в материал заготовки на каждом проходе) для скоростей резания: Vj = 14,1 м/мин; V2 = 28,3 м/мин; V3 = 44,5 м/мин.
Экспериментальные данные показывают, что глубина резания при многопроходной обработке резьбы резцами оказывает существенное влияние на величину тангенциальной составляющей силы резания, при этом увеличение скорости резания приводит к снижению её значений. В рамках отдельно рассматриваемого прохода резьбового резца, на установившейся стадии процесса резания, тангенциальная составляющая Pz не претерпевает изменений и остается постоянной.
Во второй серии экспериментов исследован характер изменения тангенциальной составляющей Pz силы резания в процессе нарезания резьбы М45хЗ при наличии на обрабатываемой поверхности шпоночного паза шириной b = 8 мм и определение влияния на изменения элементов профиля резьбы. Для обеспечения сопоставимости полученных данных остальные условия обработки аналогичны принятым. На рис. 3.6 показан характер изменения тангенциальной составляющей Pz в рамках отдельно рассматриваемого 5-го прохода резьбового резца по длине обрабатываемой резьбы / при различных скоростях резания Vb V2, V3. На установившейся стадии процесса резьбонарезания изменение тангенциальной составляющей Pz силы резания происходило скачкообразно и принимала следующие значения (табл. 3.2): A PZi = 190 Н (при V) = 14,1 м/мин); A PZ2= 160 Н (при V2 = 28,3 м/мин); A PZ3 = 135 Н (при V3 = 44,5 м/мин), что обусловлено действием ударной нагрузки.
Наличие описанных особенностей процесса нарезания резьбы сказывается на точности обработки. Колебание значений составляющей Pz силы резания в рамках отдельного прохода резьбового резца приводит к упругим отжатиям инструмента в тангенциальном направлении и, как следствие, к погрешностям обработки.
В третьей серии экспериментов проводилось исследование эффективности применения регулировки режущих элементов инструмента относительно профиля обрабатываемой резьбы при наличии ударной нагрузки. Нарезание резьбы М45хЗ, имеющей шпоночный паз шириной Ь=8мм, выполнялось резьбовым
На рис. 3.7 показана закономерность изменения тангенциальной составляющей Pz на 5-м проходе резьбового резца по длине обрабатываемой резьбы / при различных скоростях резания Vj, V2 , V3. В результате наклона режущей пластины инструмента относительно профиля резьбы на угол X наблюдается уменьшение диапазона колебаний значений тангенциальной составляющей Pz силы резания в процессе обработки рассматриваемой резьбы в 1,5 -т- 1,8 раза (табл. 3.2). Это объясняется более плавным выходом режущих кромок инструмента из контакта с материалом заготовки и их постепенным врезанием при обработке резьбы на прерывистых поверхностях.
При этом, благодаря равномерному нагружению режущих кромок резьбового резца и снижению его деформации, можно отметить уменьшение величин систематических погрешностей обработки и полей рассеивания размеров резьбы обработанных изделий.
Комплексный контроль параметров обрабатываемых резьб осуществлялся с помощью предельных проходных (ПР) и непроходных (НЕ) рабочих резьбовых калибров. Проходным рабочим резьбовым калибром по ГОСТ 17763-72 контролировался приведенный средний диаметр резьбы, включающий диаметральные компенсации ошибок шага и угла профиля резьбы. Непроходным рабочим резьбовым калибром по ГОСТ 17764-72 контролировался собственно средний диаметр резьбы.
Классификация погрешностей возникающих при обработке резьбы в технологической системе
В общем случае, на качество и точность изготовления деталей с резьбовой поверхностью оказывают влияние погрешности элементов технологической системы отдельно и в целом. Степень влияния данных погрешностей различна. Необходимо установить, как сказываются изменения элементов технологической системы на погрешности изготовления резьбового профиля, какие из них оказывают наибольшее влияние и как следует предотвратить эти погрешности. Погрешности изготовления резьбового профиля непосредственно характеризуют отклонения элементов резьбы от теоретических ее значений. Точность резьбового соединения определяется пятью параметрами: d (D) - наружным диаметром, d2 (D2) - средним диаметром, di (Di) - внутренним диаметром, Р - шагом резьбы и а - углом профиля (и его расположением относительно перпендикуляра к оси резьбы).
Главными, из которых, являются средний диаметр, шаг резьбы и угол профиля. Именно эти параметры определяют качество сопряжения винтовой пары. Все элементы резьбы тесно связаны друг с другом. Изменение величины одного из них приводит к изменению величины других элементов. При изменении шага резьбы Р изменяется средний диаметр d2 и величина погрешности Ad2 определяется по формуле: При изменении величины шага резьбы ширина профиля выступа резьбы изменяется, что приводит, в свою очередь, к изменению величины среднего диаметра (рис.4.3, а). Изменение величины угла профиля резьбы а/2 также приводит к изменению среднего диаметра d2 (рис.4.3, б). Величина погрешности определяется из формулы: причем, положительному приращению угла профиля Да соответствует отрицательное приращение среднего диаметра Ad2. Важнейшим элементом, определяющим точность резьбы является шаг Р, который также является зависимым элементом. Изменение среднего диаметра d2 и угла профиля а в процессе обработки неизбежно приводит к погрешностям по шагу резьбы. На рис.4.3,в изображен резьбовой профиль, у которого изменяются диаметральные размеры по длине резьбы (Ad2, Ad і - изменение соответственно среднего и внутреннего диаметров резьбового профиля), в результате шаг резьбы будет уменьшаться на величину АР. Погрешность шага Р будет увеличиваться по мере увеличения погрешности по среднему диаметру Ad2. Если есть переменные погрешности угла профиля а по длине резьбы, то это приведет к "разбивке" впадины резьбового профиля, что также скажется на величине шага Р (рис.4.3,г). Следовательно, погрешности среднего диаметра d2 и угла профиля а переменные по длине резьбы приводят к погрешностям шага Р. Следует разли чать местные, периодические и накопленные погрешности шага. Местные погрешности шага на всей длине резьбы носят случайный характер и проявляются в отдельных местах резьбы.
Они могут быть вызваны погрешностями элементов технологической системы (например, неоднородность химической структуры поверхностного слоя заготовки), действие которых большей частью случайно и кратковременно. Периодические погрешности шага - погрешности, изменение которых по длине резьбы подчиняется какому-либо закону. Они возникают вследствии погрешностей станка, в частности погрешности ходового винта. Наибольшие периодические погрешности шага равны сумме абсолютных величин максимальной положительной и максимальной отрицательной ошибок. Накопленные погрешности шага - это погрешности, непрерывно возрастающие по длине резьбы. Наиболее опасный вид погрешности по отношению кинематической резьбе. Поскольку к такой резьбе предъявляются жесткие требования в отношении точности перемещения ведомого звена. Характеристики точности такой резьбы определяются как условиями взаимозаменяемости, так и условиями точности перемещения. В общем случае, погрешности размера резьбы определяются погрешностью относительного положения изделия и режущего инструмента в данной точке. Погрешности формы резьбы возникают в результате погрешности перемещения и определяются изменением погрешности размера на определенном перемещении. Классификация погрешностей в технологической системе представлена на рис. 4.4. Погрешности элементов данной технологической системы оказывают влияние на тот или иной элемент резьбы при нарезании ее резцом с твердосплавными пластинами. На (рис.4.5) показаны погрешности трех элементов резьбы: по среднему диаметру d, по шагу Р и по углу профиля а. Рассмотрим подробнее некоторые погрешности, возникающие в технологической системе и установим связь с погрешностями элементов резьбы, а также влияние на точность размеров и качество нарезаемой резьбы. Рассмотрим резьбовой резец с однопрофильной и многопрофильной твердосплавной пластиной. Установка режущего инструмента, имеющего прямолинейные режущие кромки, будет правильной тогда, когда вершина его находится на высоте центра изделия на расстоянии dj/2 от оси последнего, а профилирующая плоскость (передняя поверхность инструмента), лежит в плоскости, проходящей через ось винта. Для определения возможных погрешностей в установке, через вершину резца (рис.4.6, а) проводим оси координат, ось ОХ направим параллельно, а ось ОУ перпендикулярно оси изделия. Плоскость ХОУ образует плоскость копирования. Профилирующая плоскость при правильной установке лежит в плоскости ХОУ. Аналогичным образом поступаем с резьбовым резцом с многопрофильной твердосплавной пластиной (рис.4.6, б). Начало координат задаем на вершине калибрующего зуба пластины, поскольку калибрующий зуб пластины и его ориентация относительно обрабатываемого изделия определяет окончательную форму резьбового профиля, а также его качество и точность изготовления. Положение черновых зубьев пластины при нарезании резьбы предопределяет условие работы калибрующего, то есть напряжения калибрующего зуба, припуск обрабатываемого материала, который он должен снять, температуру в зоне резания. Таким образом, положение черновых зубьев пластины лишь косвенно влияет на точность обрабатываемой резьбы, напрямую воздействуя на условия работы калибрующего зуба и эти воздействия требуют дополнительного изучения. Поэтому целесообразно рассматривать влияние на параметры точности резьбы погрешностей установки резьбового резца с однопрофильной пластиной. При этом полученные закономерности будут справедливы и для резьбовых резцов с многопрофильными пластинами.
