Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ II
1.1. Предпосылки оснащения метчиков твердым сплавом
1.2. Анализ причин выхода метчиков из строя 24
1.3. Оценка точности резьбы и возможности ее обеспечения 29
ІЛ. Общая методика работы 36
2. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РЖУЩИХ ЛЕЗВИЙ ТВЕЩОСПЛАВНЫХ МЕТЧИКОВ С ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛЬЮ 37
2.1. Экспериментальное определение температуры в зоне резания 38
2.2. Анализ разрушения твердосплавных метчиков 2.3. Экспериментальное определение составляющих сил резания 62
2.3.1« Силы резания при прямом ходе 62
2.3.2. Определение сил, действующих на метчик при реверсе 77
2.3.3. Теоретическое определение нескомпенсированной составляющей силы резания, вызванной разной длиной режущих кромок 81
2.3.4. Экспериментальное определение не скомпенсированной составляющей силы резания 92
3. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТЧИКА
3.1. Расчет прочности при статическом нагружение при кручении
3.2. Расчет напряжений в твердосплавном метчике с учетом распределения нагрузки и температуры
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ МЕТЧИКОВ 130
4.1. Исследование циклической прочности 130
4.1.1. Методика исследований 130
4.1.2. Результаты эксперимента 1
4.2. Исследование точности резьбы, нарезаемой твердосплавными метчиками 156
4.3. Конструкции метчиков и оснастки 166
5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ МЕТЧИКОВ И АНАЛИЗ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ 180
5.1. Выбор марки твердого сплава при нарезании резьбы на автоматизированных станках в деталях из чугуна 180
5.2. Испытание твердосплавных метчиков с коническим хвостовиком 186
5.3. Работоспособность твердосплавных метчиков при обработке сталей, алюминия, латуни 189
5.4. Испытания метчиков при обработке точных резь 197
5.5. Влияние упрочнения на работоспособность твердосплавных метчиков 201
5.6. Анализ экономической эффективности применения твердосплавных метчиков 2
5.6.1. Результаты испытаний опытно-промышленных партий метчиков 209
5.6.2. Организация серийного изготовления твердосплавных метчиков 216
5.6.3. Экономическая эффективность твердосплавных метчиков при их серийном изготовлении 221
6. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 225
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 230
ПРИЛОЖЕНИЯ 2
- Предпосылки оснащения метчиков твердым сплавом
- Экспериментальное определение температуры в зоне резания
- Расчет прочности при статическом нагружение при кручении
- Исследование циклической прочности
- Выбор марки твердого сплава при нарезании резьбы на автоматизированных станках в деталях из чугуна
Введение к работе
В современном машиностроении большое внимание уделяется созданию высокопроизводительных станков и автоматических линий, работаощих в условиях многоинструментальных наладок. Применение инструментов из быстрорежущих сталей не всегда удовлетворяет возрастающим требованиям к производительности обработки и стойкости инструмента.
В то же время сравнительно низкая ударная вязкость износостойких и хрупких твердых сплавов и, вследствие этого, частые выкрашивания режущих кромок твердосплавных инструментов приводят к недостаточной надежности некоторых видов инструмента, что отрицательно сказывается на работоспособности автоматических станков и линий.
Поэтому на автоматических станках и линиях проходные резцы, торцевые фрезы, зенкеры и некоторые другие виды инструмента оснащают твердым сплавом, а для сложнопрофильных инструментов, например метчиков, чаще всего применяют быстрорежущие или другие инструментальные стали.
Одним из наиболее распространенных обрабатываемых материалов на автоматических станках и линиях являются различные литейные чугуны: серый, ковкий, высокопрочный, отбеленный, из которых изготавливаются фитинги, корпусные детали станков и двигателей, гидроцилиндров и гидронасосов, каландровые валы и т.п. Для расточки отверстий в этих материалах применяют твердосплавные зенкеры, а нарезание резъбьг чаще всего производится метчиками из быстрорежущей стали, что из-за их значительно меньшей износостойкости сдерживает рост производительности автоматического оборудования.
Инструментальными заводами и машиностроительными предприя- - б - тиями ежегодно изготавливаются метчики на сумму свыше 150 млн, рублей, что составляет 10% общего выпуска металлорежущего инстру-мента и 60% всего резьбообразующего /67/.
Дефицит вольфрама - важнейшего компонента инструментальных материалов, идущих на изготовление метчиков, значительно обострил вопросы рационального и экономного использования метчиков.
На замену метчиков из быстрорежущих сталей начали в некоторых случаях успешно использовать метчики, у которых режущие элементы оснащаются твердым сплавом. За счет высокой износостойкости твердых сплавов удается снизить расход вольфрама на единицу нарезаемых изделий. При этом, благодаря высокой износостойкости метчиков, значительно сокращается брак по качеству резьбы.
Наиболее полные исследования по отработке конструкции твердосплавных метчиков выполнены А.Д.Агеевым, Н.И.Дедушенко, В.М.Эп-штеином,,';"?' АД.Акжоловым /і, 2, 24, 98/. В результате этих исследований были определены геометрические и конструктивные параметры машинных метчиков средних размеров,предназначенных для нарезания цилиндрических резьб в деталях из чугуна различных марок, установлено, что наиболее экономичными и надежными в работе по сравнению с цельнотвердосплавными и с припаянной твердосплавной головкой являются метчики с припаянными к стальному корпусу твердосплавными пластинами. Расчеты напряженно-деформированного состояния метчиков и экспериментальная проверка этих расчетов позволили определить величину критического износа, при котором метчик разрушается от действия крутящего момента. Выполнены также исследования надежности твердосплавных метчиков, изготовленных по различным технологическим схемам с применением одно- и многониточных алмазных кругов. Подробное исследование процессов алмазного шлифования резьбы твердосплавных метчиков проведено Г.В.Чайкой /92-94/.
В результате этих работ к настоящему времени решены задачи, связанные с изготовлением твердосплавных метчиков: разработаны специальные алмазные круги для затылования метчиков и для шлифования резьбы, некоторыми заводами освоена технология изготовления твердосплавных метчиков.
Однако практика эксплуатации твердосплавных метчиков показала, что даже при обработке таких материалов, как ковкий и/серый чугун, на которых преимущества метчиков, оснащенных твердым сплавом, наиболее очевидны, внедрение их взамен метчиков из быстрорежущей стали далеко не всегда проходит успешно. Это видно из факта, что доля твердосплавных метчиков от всех метчиков при нарезании резьб средних размеров в деталях из чугуна на некоторых предприятиях (Косогорский металлургический завод, Кролевецкий арматурный завод и др.) в I979-I98I гг. довольно высока (от 20 . е- Г- * 1- У ' * до 90%), тогда как на других крупных предприятиях (Минский за-вод отопительного оборудования, Харьковский завод "Серп и Молот") твердосплавные метчики в основном производстве практически не используются.
Аналогичные результаты получены и за рубежом. В США, например, твердосплавные метчики широко рекламировались в 1963-1965гг.. /107, 108/. В I98I-I982 гг. появились сведения рекламного характера японской фирмы "Сумитомо" о больших преимуществах твердосплавных метчиков при обработке чугуна, алюминия, спеченных металлов и неметаллических материалов. Срок службы твердосплавных метчиков был больше, чем метчиков из сталиШ6 (быстрорежущая сталь) в 30-100 раз.
Однако установлено, как при разработке стандарта на твердосплавные метчики (ГОСТ 19879-74), так и при его пересмотре в t ,1982 г., что твердосплавные метчики в стандарты ни в одной из - 8 -зарубежных стран не введены, а использование их незначительно.
Эти данные показывают, что существуют объективные причины, сдерживающие применение этого эффективного инструмента на предприятиях с автоматизированным оборудованием. В условиях многоинструментальной наладки при одновременном нарезании резьбы несколькими метчиками в одной детали возникающие от каждого из метчиков нескомпенсированные радиальные составляющие силы резания вызывают смещение детали и влияют на условия работы других инструментов. При меньшей ударной вязкости и прочности на изгиб твердого сплава по сравнению с быстрорежущей сталью, эти силы-могут вызвать разрушение твердосплавного метчика, что часто и наблюдается в производстве. Конструкция твердосплавного метчика, рассчитанная из условия нагружения только крутящим моментом /I, 2, 102/ и предназначенная для условий од-ноинструментальной наладки, в случае многоинструментальной наладки оказывается недостаточно прочной из-за выкрашивания режущих кромок.
Целью данной работы является повышение эффективности процесса нарезания резьбы на автоматизированных станках путем оптимизации конструктивных и геометрических параметров метчиков, оснащенных твердосплавными пластинами, и условий их эксплуатации на основе изучения взаимодействия инструмента с деталью.
В результате выполнения комплексного исследования работы твердосплавных метчиков при эксплуатации на одно- и многошпиндельном оборудовании установлены зависимости влияния утла заборного конуса, заднего и переднего углов, радиуса округления режущей кромки метчика и твердости обрабатываемого материала на величину тангенциальной и радиальной составляющей силы резания; с учетом несбалансированных сил, действующих на метчик при - 9 -работе на автоматизированных станках, температуры в зоне резания и температуры пайки определены напряжения в режущих элементах метчика; выявлен усталостный характер разрушения твердосплавных метчиков в случае отсутствия защемления стружек при обратном ходе; по величине эквивалентных напріжений, рассчитанных по критерию Писаренко - Лебедева и количеству циклов нагру-жений до разрушения режущих лезвий,установлен оптимальный диапазон величины угла заборного конуса и предложены пути повышения работоспособности метчиков за счет снижения уровня напряжений и повышения усталостной прочности твердого сплава, предложены новые конструкции твердосплавных метчиков (а.с. 496122,818785, * - - ^ определены условия их применения, диапазон размеров резьб и обрабатываемых материалов, где применение твердосплавных метчиков эффективно.
В работе защищаются:
Методики: экспериментального определения тангенциальной, радиальной, осевой и нескомпенсированной радиальной составляющей силы, возникающей при нарезании резьбы метчиками; оптимизации кон* структивных; параметров режущей части на основании вероятности разрушения при циклическом гармоническом нагружении; теорети -ческого определения неуравновешенной длины режущей кромки метчика.
Результаты: экспериментальных и теоретических исследований по указанным в п.1 методикам; по надежности работы метчиков в условиях автоматизированного производства; по точности наре-, заемой резьбы, оценке напряженно-деформированного состояния твердосплавной части метчика и эффективности применения метчиков.
Новые конструкции метчиков, способ повышения прочности твердосплавных метчиков путем магнитно-абразивного полирования их рабочей части. -ІО-На основе проведенных исследований созданы и прошли промышленную апробацию конструкции метчиков, работающих на многошпиндельном автоматизированном оборудовании. Разработка принята Министерством строительных материалов СССР и Министерством станко-инструментальной промышленности. Сестрорецким инструментальным заводом освоено их производство. Экономический эффект от внедрения насадных метчиков на многошпиндельных станках мод.СМ102М только на двух заводах составляет 143 тысячи рублей в год.
Работа выполнялась в отделе обработки металлов резанием и деформированием Института сверхтвердых материалов АН УССР.
Большая помощь в проведении экспериментов и сборе данных была оказана сотрудниками института Мослаником Л.Д», Гайдаем Б.А. и сотрудниками Ржищевского^авода "Радиатор", Ворошиловградского литейно-механического завода, Главсантехпрома Минетройматериалов и др. В организации постановки метчиков на производство активную работу провели сотрудники Сестрорецкого инструментального завода И.А.Ординарцев, Е.Н.Соловьев, О.В.Самарин, а также сотрудники ВНИИ (инструментального).
Автор выражает свою благодарность и признательность сотрудникам ИСМ АН УССР и работникам заводов за оказанную помощь при выполнении работ. - II ~
Предпосылки оснащения метчиков твердым сплавом
В качестве инструментального материала для изготовления метчиков или оснащения их: режущей части могут быть использованы практически все материалы, применяемые для обработки металлов резанием, так как многие технологические трудности, связанные с образованием профиля резьбы, могут быть в настоящее время преодолены.
Рассмотрим инструментальные материалы, а также различные виды упрочнений кромки инструмента с точки зрения целесообразности и перспективы использования их для машинных метчиков, учитывая основные особенности процесса нарезания резьб метчиками: сравнительно низкие скорости резания, работа в зоне образования нароста, адгезионный износ инструмента при обработке черных металлов, склонность к выкрашиваниям и сколам реяущих кромок.
Углеродистая сталь. Из углеродистой стали изготавливается около всех метчиков /67/. Углеродистая сталь при обработке черных металлов допускает скорость резания всего 5 м/мин /84/, имеет низкую стойкость. Поэтому из нее изготавливают метчики только для ручных и ремонтных работ. Для машинного нарезания резьбы в условиях автоматизированного оборудования она, как правило, из-за низкой стойкости не применяется.
Быстрорежущая сталь. Из быстрорежущей стали марок В6М5, F6M3, PI8, Р9К5М5 и многих других изготавливают более 85% метчиков. Выгодное сочетание сравнительно высокой износостойкости и прочности в диапазоне практически применяемых скоростей резания при нарезании резьб делает ее универсальным материалом, пригодным для изготовления метчиков, предназначенных для нарезания большинства резьб в деталях из различных материалов. Недостатки быстрорежущих сталей проявляются при обработке материалов, имеющих высокую твердость (НЕС 38...62), труднообрабатываемых сталей и сплавов, которые способствуют образованию высоких градиентов давлений или температур на режущей кромке со стороны передней поверхности, и при обработке материалов, имеющих включения песка, окислов и карбидов, что имеет место при изготовлении изделий на литейных материалов: соединительные детали пароводяной арматуры из ковкого чугуна, секции отопительных радиаторов и серого чугуна, детали сантехнической аппаратуры. При этом такие детали являются весьма массовыми, изготовление их производится на автоматизированном производстве и поэтому требуется высокая износостойкость и надежность работы инструмента. В такой ситуации твердый сплав имеет значительно лучшие показатели.
Экспериментальное определение температуры в зоне резания
Целью настоящих исследований было определение уровня температур, при которых производится машинное нарезание резьбы твердосплавными метчиками, в зависимости от скорости резания, состава применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей, геометрических параметров, диаметра отверстия под резьбу и твердости обрабатываемого материала.
Температура измерялась методом естественной термопары. Осредненная температура, измеренная таким образом, наиболее характерный показатель тепловой напряженности процесса резания, позволяющая оценить влияние различных факторов на этот процесс /23, 62, 75/.
Практическая безынерционноеть естественной термопары позволяет замерять температуры при быстропротекающих процессах, в том числе при нарезании резьбы метчиками, где время резания составляет 0,5-10 с.
По мнению некоторых исследователей /6, 23/, замеры температуры резания при работе составного инструмента требуют специальной достаточно сложной подготовки этого инструмента для исключения паразитных термопар. Однако в других работах /14, 15/ была показана возможность измерения температуры резания без изоляции твердосплавных частей при исследованиях составных сверл и резцов.
В настоящей работе при разработке методики измерений температуры при нарезании резьбы метчиками было сделано предположение, что при применении метчиков, оснащенных твердосплавными пластинами, температуру можно определят не. изолируя твердосплавную пластину по термоэлектродвижущей силе (ТЭДС), возникающей в начальный период времени, пока вся твердосплавная пластинка не успела прогреться и создать разность температур на стальном корпусе, что соответствует рекомендациям /23/. При этом также учитывается, что в начальный период резания холодная часть пластины не будет замыкать на деталь ТЭДС, так как калибрующая часть метчика еще не будет касаться детали.
Для проверки этого предположения были изготовлены метчики из однородного материала с длиной калибрующей части 40 и 6 мм и с пластинками твердого сплава с отводом ТЭДС через удлинительный столбик, изолированный от корпуса. Причем пластинки твердого сплава кренились к корпусу различными способами: пайкой, механически без изоляции с корпусом, механически изолированно от корпуса. Подробно условия испытаний описаны в статье /99/. Испытания показали, что при одинаковых режимах резания возникающая в начальный момент ТЭДС одинакова во всех случаях, а затем уменьшается с интенсивностью, зависящей от условий эксперимента. ТЭДС наиболее постоянна по величине в процессе всей длительности обработки резьбы у метчиков из однородного материала с короткой рабочей частью (рис.2.2, в,г), у остальных ТЭДС уменьшается по мере длительности резания, что подтверждает предположение о возможности определения ТЭДС по первоначальному ее значению и что изоляция твердого сплава от корпуса не обязательна.
Расчет прочности при статическом нагружение при кручении
В расчете прочности метчиков, оснащенных твердым сплавом, выполненных методом конечных элементов Эпштейном В.М., Сахаровым А.С. и Завьяловым Г.Г. /101 было сделано следующее упрощение: нагружение метчика крутящим моментом заменялось приложением сосредоточенной тангенциальной силы:
Силы Fz прикладывались в месте перехода заборной части метчика в калибрующую. Размер заборного конуса не учитывался, профиль также. По данным авторов этой работы,эксперименты полностью подтвердили правильность такого расчета.
Однако такой расчет не раскрывает причин разрушения режущей кромки метчика, так как понятно, что с увеличением длины заборного конуса нагрузку нельзя считать сосредоточенной и напряжения в метчике должны перераспределиться. Пользуясь приведенными в указанной работе формулами и графиками, выражающими распределения напряжений в твердосплавной пластинке, как в радиальном, так и в осевом сечении, и учитывая, что начальные условия не меняются, заменяем действие одной сосредоточенной силы Fz действиями суммы сосредоточенных сил, приложенных к каждому зубу метчика.
Величина касательных напряжений в плоскости приложения силы в точках А и Б, лежащих соответственно на внутреннем диаметре метчика и в месте заделки твердосплавной пластины (рис.3.1), может быть подсчитана по известным формулам для кручения валов / 98/, которую после преобразования приводим к виду, где /fgr = 2,56 / = 2,25 - коэффициенты, учитывающие ослабле-ние стержня канавками, нахшдятся расчетным путем .... методом конечных элементов и сохраняют свое значение для подобных сечений с соотношением размеров: оСс= 0,6 я; Ctn = (0,13 0,19) ; k = (0,13 0,19) ; Рп = 0,32 , где ис - диаметр окружности впадин канавок; Сіп , /г - соответственно ширина и высота пластинки; Рп - ширина пера, предполагаем, что сечение метчика проходит через вершину зуба; Z - число перьев;/ -тр- /98/. Коэффициенты изменения напряжений при кручении/1 и KBL по мере удаления вдоль оси метчика от места приложения силы приведены в табл. 3.1, составленной на основании расчетов, приведенных в
Исследование циклической прочности
Применяемый в настоящее время метод оценки долговечности метчиков состоит в том, что в производственных условиях производится нарезание резьбы достаточно большими партиями метчиков через определенное количество отверстий производят замеры износа и выкрашиваний режущих кромок метчиков и последующую статистическую обработку результатов /34/. При достижении определенного критерия разрушения или износа режущей кромки период стойкости считается законченным. Технологическим критерием затупления или потери работоспособности метчика при работе на автоматизированном оборудовании служит точность нарезаемой резьбы.
Вследствие различий физико-механических свойств материала детали, отклонений размеров отверстия под резьбу, неточности установки деталей погрешность эксперимента возрастает, особенно при исследовании метчиков, снабженных твердосплавными пластинами, так как количество отверстий, нарезаемых метчиком до появления разрушений,может составить десятки тысяч штук.
Предполагаем, что комплексным параметром, определяющим долговечность режущих кромок инструмента, является уровень напряжений на режущих кромках метчика при нарезании отверстий. Приняв допущение о том, что разрушение кромок твердосплавного инструмента связано с количеством врезаний в заготовку и реверсом, в большей степени, чем с длиной пути резания /38,53/, при моделировании заменим с некоторым допущением число нарезанных отверстий количеством врезаний метчика в заготовку. Из приведенных фотографий, иллюстрирующих разрушение кромки метчика при работе на станках-автоматах (рис.2.13) и при моделировании процесса (рис.4.1),видно, что характер разрушений в обоих случаях подобный. Исследования характера разрушения инструментального материала под действием циклических нагрузок на электронном микроскопе /35/ показало его идентичность с разрушением под действием статических нагрузок. При моделировании частота нагруже-" ний крутящим моментом может быть увеличена с 0,2 Гц, что имеет
Выбор марки твердого сплава при нарезании резьбы на автоматизированных станках в деталях из чугуна
Сравнительные испытания метчиков, оснащенных твердосплавными пластинами, проводились на Ржищевеком ваводе "Радиатор" и Ворошиловградском литейно-механическом заводе при обработке сквозных отверстий в секциях радиаторов отопления из чугуна СЧІ2 твердостью от НВ 170 до НВ 320 на полуавтоматических многошпиндельных станках мод.СМЮ2М. На этих станках поЗ секции радиаторов жестко крепятся на позиции зенкерования и при этом одновременно зенкеруются твердосплавными зенкерами по 4 отверстия диаметром 39,1+0,3 мм в каждой детали. Затем секции толкателем передаются по плоским направляющим в позицию резьбонарезания. Смещение осей метчика и отверстия в зависимости от степени износанаправляющих составляет 1-3 мм. Резание осуществляется одновременно 12 метчиками. При этом деталь располагается между направляющими с зазором и удерживается только метчиками. Подача метчиков осуществляется по винтовому копиру. Скорость резания 10 м/мин. СОЖ - дизельное топливо - подавали в виде распыленной жидкости в обрабатываемую зону перед началом резания. Резьбонарезные шпиндели имеют внутренние конические отверстия (конус Морзе 4), в которые вставляется оправка для крепления метчиков или непосредственно метчик с коническим хвостовиком.
Испытывались 4 партии метчиков (j-jfy (рис.4.34,а), оснащенных твердым сплавом БК6-0М, БКб, БЕ6-М и ВК8.
Наблюдения в течение 1,5 лет по количеству нарезанных отверстий и числу переточек метчиков до полного износа проведены над 293 метчиками, которые работали на 4 станках (48 резьбонарезных шпинделей).
Из анализа распределения срока службы метчиков следует (рис.5.I, табл.5 .1), что максимальный срок службы обеспечивают метчики из самой прочной из испытанных марок твердого сплава, а именно - ВК8, за счет меньшего числа поломок, как и при испытании метчиков циклическим нагружением. Вместе с тем характер распределения срока службы у метчиков, оснащенных различными марками твердого сплава,отличается между собой. Вероятно, это происходит из-за большого разнообразия причин отказов: неисправность оборудования, поступление на обработку деталей с повышенным содержанием кремния или фосфора (чугун идет с отбелом) и других причин, вызывающих непредвиденные отказы одновременно нескольких метчиков.
