Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Обзор конструкций комбинированных инструментов для изготовления отверстий сложного профиля

Обзор конструкций комбинированных инструментов для изготовления отверстий сложного профиля

К настоящему времени сформировался класс комбинированных инструментов (прежде всего, в условиях крупносерийного и массового типов производства), предназначенных в основном для обработки фасонных и профильных поверхностей деталей. Такие детали, как правило, содержат цилиндрические, конические, торцовые и фасонные (в том числе резьбовые) участки. Применение комбинированных инструментов позволяет совместить как отдельные способы обработки (например, черновое и чистовое фрезерование), так и несколько методов обработки (сверление и фрезерование, зенкерование и нарезание резьбы метчиком и т.д.) в пределах одной операции [1].
Применение комбинированных инструментов позволяет достичь таких преимуществ, как увеличение производительности обработки, высвобождение рабочих позиций и мест в инструментальных магазинах, увеличение точности обработки, экономия инструментального материала, уменьшение количества вспомогательного инструмента и т.д. Следует отметить, что благодаря этим преимуществам использование комбинированного инструмента обеспечивает минимальную себестоимость обработки на данной операции и является актуальным направлением в развитии современного машиностроительного производства [2].
Обработка отверстия сложного профиля (ОСП), содержащего резьбовой участок, в основном ведется по следующей схеме: сверление - обработка фаски - нарезание резьбы. Следует отметить, что достаточно одной операции, выполняемой стандартным цилиндрическим сверлом, для обработки отверстия под резьбу. При этом максимальный диаметр просверленного отверстия 30 мм. В противном случае предусматривается предварительное сверление и дальнейшее рассверливание отверстия.
Для обработки ОСП с резьбой применяются комбинированные (ступенчатые) инструменты, которые предназначены для работы как по предварительно подготовленному отверстию (например, после литья, ковки, штамповки или сверления), так и для работы в сплошном материале. Первая группа инструментов комбинируется из зенкеров, разверток, метчиков и резьбовых гребенчатых фрез, а вторая-дополнительно снабжается сверлом.
Проведенный анализ литературных источников показал, что ограниченное применение при производстве отверстий сложного профиля, содержащих резьбовые участки, нашли следующие типы комбинированных инструментов: сверло-метчик, зенкер-метчик, зенкер-развертка-метчик, развертка-метчик и метчик-метчик. В серийном производстве для изготовления ОСП с резьбой в сплошном материале применяются сверла-метчики, которые представлены в основном в двух различных конструкциях [1, 3, 4].

Рис. 1. Сверло-метчик

Инструмент, представленный на рис. 1, комбинирован методом последовательного соединения ступеней и может быть применен для нарезания резьбы невысокой точности в сквозных отверстиях. Длина его первой ступени (сверла) равна 2...2,5 диаметра метчика, а угол подъема винтовой линии несколько меньше, чем у нормального сверла. Метчик имеет прямую стружечную канавку, что затрудняет отвод стружки при сверлении. Сверлить и нарезать резьбу с большим шагом этим инструментом можно только в коротких отверстиях.

Рис. 2. Сверло-метчик

Сверло-метчик, представленный на рис. 2, разработан на Рижском электромашиностроительном заводе. В отличие от первой конструкции инструмент скомбинирован методом образования фасонного профиля зубьев, что позволяет нарезать резьбу до окончания сверления, но при этом необходимо согласование режимов сверления и резьбонарезания, т.е. выполнение резьбы с мелким шагом. Инструмент имеет повышенную стойкость и более высокую точность нарезаемой резьбы. Длину первой ступени авторы конструкции принимают равной 1,4... 1,6 длины сверления, что позволяет обрабатывать не только мелкие резьбы.
Практика применения сверл-метчиков обнаружила ряд серьезных недостатков. Так, при жестком типе крепления инструмента в патроне нарезается некачественная резьба, поскольку в этом случае метчик работает как резьбовой гребенчатый резец. При плавающем и качающемся креплениях возникает радиальное биение режущей части сверла. Еще одним важным недостатком является ограниченная область применения этих инструментов (нарезание резьбы с небольшим шагом и только в легкообрабатываемых материалах, где можно принимать осевую подачу равной шагу резьбы), а также технологические трудности их переточки.

Рис. 3. Зенкер-метчик

Зенкер-метчик, представленный на рис. 3 [3], применяется в основном для больших диаметров резьбы, чем при обработке сверлом-метчиком и главным образом при работе по чугуну. Таким инструментом можно получать резьбу только в сквозных отверстиях. Точность нарезаемой резьбы высока, так как оба перехода выполняются при одной установке.
Зенкер-развертка-метчик широко применялся в ГДР [1]. Подобная конструкция была разработана и в Омском машиностроительном институте (рис. 4). Зенкер-развертка-метчик обеспечивает качественное нарезание резьбы в отверстиях, полученных литьем, ковкой и штамповкой, а также в отверстиях деталей, собранных в пакет.

Рис. 4. Зенкер-развертка-метчик

Возможно также применение комбинированных инструментов типа развертка-метчик [1, 4], которые позволяют производить обработку точного отверстия и резьбы с высокой соосностью (рис. 5)

Рис. 5. Развертка-метчик

Соосные резьбовые отверстия, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга, реже обрабатываются комбинированными инструментами, поскольку обычно имеют различный шаг резьбы. В таком случае применяют комбинированный инструмент метчик-метчик с различным шагом резьбы ступеней (рис. 6) [1,5].
Возможно применение двухступенчатых метчиков ("тандем" метчиков) со второй ступенью несколько большего диаметра (рис. 7), т.е. две ступени одного метчика работают по схеме метчиков в комплекте, что значительно уменьшает явление подрезания боковыми кромками зубьев метчика витков резьбы [1, 5].

Рис. 6. Метчик-метчик с различной величиной шага резьбы ступеней

Рис. 7. Метчик-метчик с одинаковым шагом резьбы ступеней

Проведенный поиск конструкций комбинированного инструмента для изготовления отверстий сложного профиля с резьбой по каталогам таких инструментальных фирм, как SANDVIK Coromant, GUHRING, STOCK, WIDIA, KENNAMETAL HERTEL, TITEX PLUS и MITSUBISHI CARBIDE не дал положительных результатов, что указывает на ограниченную область применения специального инструмента в машиностроительном производстве. Исключение составляют комбинированные инструменты сверло-метчик, представленные, например, в каталогах фирм GUHRING и STOCK для обработки отверстий с резьбой в диапазоне МЗ...М12.
Проведенный патентный обзор отразил некоторые конструкции, включающие в себя элементы сверла, метчика и зенковки (рис. 8,9), а также позволил выявить новый классрежущих комбинированных инструментов, предназначенных для обработки ОСП с резьбой. Метод формообразования резьбового отверстия в этих случаях основан на процессах сверления и резьбофрезерования. Соответственно, конструкции этих инструментов основаны на элементах сверла и резьбовой гребенчатой фрезы. Обзор российских источников также выявил публикации о комбинированном инструменте для обработки ОСП, основанный на принципах сверления и резьбофрезерования подобно некоторым схемам, изложенным в патентных источниках, представленных ниже [6, 7, 8, 9].
Патентные исследования показали, что существует и множество конструкций комбинированных инструментов, и методов изготовления ОСП.
Все методы обработки ОСП, проиллюстрированные на рис. 10...24, можно разделить на две группы, в которых процессы подготовки отверстия и фрезерования резьбы происходят либо одновременно (например, рис. 12, 17), либо последовательно (например, рис. 10, 13, 16, 18, 21, 22).

Рис. 8. Иллюстрация патента № 3246663 (Германия)

Рис. 9. Иллюстрация патента № 3241382 (Германия)

Следует отметить, что в общем случае для формирования резьбы достаточно одного режущего кольца зубьев на резьбообразующей части (рис. 21), что определяет экономию инструментального материала и позволяет одним инструментом выполнить резьбу любого диаметра и шага (при этом возможно изменение точности нарезаемой в отверстии резьбы [10]).
Методы с одновременной обработкой отверстия и нарезанием резьбы определяют конструктивные особенности рабочей части инструментов.



Рис. 10. Иллюстрация патентов № 456408 (Швеция) и № 4831674 (США)

Рис. 11. Иллюстрация патентов № 3808797 (Германия) и № 4930949 (США)

В частности, наружный диаметр части инструмента, производящей растачивание отверстия (т.е. увеличение диаметра отверстия путем его фрезерования), меньше наружного диаметра резьбообразующей части. К достоинствам данной группы методов можно отнести то, что растачивание и резьбофрезерование происходят одновременно, что сокращает основное технологическое время, а также то, что количество зубьев в каждом режущем кольце определяется режимом резьбофрезерования, а не требованиями стружкоотвода при сверлении.
Недостатками являются низкая производительность процесса обработки ОСП, так как количество планетарных вращений равно числу витков нарезаемой резьбы; и увеличенная нагрузка на зубья резьбообразующей части, что снижает суммарную стойкость инструмента.
Метод изготовления ОСП, основанный на последовательных процессах сверления и резьбофрезерования, наиболее типичный для выявленных конструкций. Укрупненно схему обработки ОСП можно описать следующим образом (рис. 18): сверление отверстия передней частью инструмента с одновременным получением любой формы торца (поз. а, б), подъем инструмента на величину шага (поз. в), радиальное врезание на высоту профиля нарезаемой резьбы (поз. г), фрезерование резьбы по всей длине резьбообразующей частью инструмента (поз. д), выход на ось (поз. е) и ускоренный вывод инструмента из отверстия (поз. ж).

Рис. 12. Иллюстрация патентов № 3828780 (Германия) и № 4943191 (США)

Процесс резьбофрезерования может также происходить при направлении осевой подачи вверх, при этом отсутствует подъем инструмента перед нарезанием резьбы (рис. 21); подготовка отверстия перед резьбофре-зерованием может производиться растачиванием (рис. 13).
Особенность конструкции комбинированных инструментов, последовательно осуществляющих процессы обработки отверстия и резьбо-фрезерования, состоит в том, что наружный диаметр части, производящей сверление или растачивание отверстия, больше или равен наружному диаметру резьбообразующей части.
К достоинствам данной группы методов можно отнести возможность обработки одним инструментом ОСП разных диаметров с резьбой одного шага и повышение производительности за счет увеличения количества одновременно обрабатываемых витков резьбы. Недостатками являются необходимость обеспечения стружкоотвода при сверлении, что ограничивает число зубьев в одном режущем кольце, и больший расход инструментального материала.
Рассмотрим комбинированные инструменты с точки зрения конструктивных особенностей их формообразующих частей.

Рис. 13. Иллюстрация патентов № 3939795 (Германия) и № 5080538 (США)

Рис. 14. Иллюстрация патента № 5413438 (США)

Конструкции сверлильных частей комбинированных инструментов для обработки ОСП можно разделить по следующим признакам:
1. Сверлильная часть, выполненная в форме обыкновенного спирального сверла (см. рис. 10, 11, а, 14, 24, в). Это наиболее традиционная форма, выбираемая авторами; она является хорошо изученной и предсказуемой с точки зрения процесса резания. При наличии цилиндрического затылованного (расточного) участка на вспомогательной задней поверхности (см. рис. 13,14,16) возможно увеличение диаметра предварительно просверленного отверстия. Сверлильная часть может быть выполнена как с перемычкой, так и без нее (см. рис. 14). В этом случае происходит периодическое образование обрабатываемого материала во впадине между режущими кромками, которое периодически срывается и отводится со стружкой. При резании этими сверлами осевые усилия снижаются до 35 %, а стойкость возрастает до 3 раз. Известным недостатком этих сверл является сложность их изготовления и заточки.
2. Сверлильная часть, выполненная в виде сверла с внутренним обратным конусом (см. рис. 11,6, 24, г). Такая форма сверлильной части позволяет производить самоцентрирование инструмента в отверстии во время сверления. При этом остается коническая поверхность на дне просверленного отверстия, которая может быть полностью или частично срезана при резьбофрезеровании, если сразу по окончании сверления произвести радиальное врезание и фрезеровать резьбу с направлением осевой подачи вверх. Такая сверлильная часть сложнее в изготовлении.
3. Сверлильная часть, выполненная в форме концевой фрезы с торцевым зубом (см. рис. 13,17, 22). Особенностью метода обработки инструментом с такой формой сверлильной части является необходимость растачивания отверстия, что значительно снижает производительность по сравнению со сверлением, но позволяет подготовить отверстие с плоским дном произвольного диаметра, большего, чем диаметр сверлильной части.
4. Сверлильная часть фасонной формы (см. рис. 12, 16). В этом случае инструменты отличаются различным сочетанием прямых и фасонных участков на сверлильной части, которая кроме сверления отверстия предназначена для формирования различного вида фасок на торце ОСП в широком диапазоне размеров и углов. Достоинством данного способа обработки является упрощение конструкции инструмента за счет отсутствия дополнительного элемента для изготовления фасок. Однако следует отметить ряд существенных недостатков: сложность выбора геометрических параметров сверлильной части, которые удовлетворяли бы двум процессам - сверлению и растачиванию фаски; усложнение процесса изготовления сверлильной части комбинированного инструмента; увеличение нагрузки на режущие кромки сверлильной части и, как следствие, повышенный износ; увеличение основного времени обработки отверстия.

Рис. 15. Иллюстрация патента №5429459 (США)


Рис. 16. Иллюстрация патента № 5678962 (США)

Другим способом обработки фаски является ее зенкование специальным конструктивным элементом комбинированного инструмента в конце перехода сверления отверстия (см. рис. 10, 14). Достоинствами данного способа являются уменьшение нагрузки на сверлильную часть, что уменьшает износ; уменьшение основного времени и, как следствие, увеличение производительности; возможность выбора оптимальных геометрических параметров сверлильной и зенковочной частей для конкретных условий обработки и упрощение метода обработки ОСП. К недостаткам можно отнести то, что при сверлении глухого отверстия с фаской его глубина определена конструктивными параметрами инструмента, а также усложнение конструкции комбинированного инструмента при необходимости выполнения сложной формы торцового элемента ОСП.

Рис. 17. Иллюстрация патента № 5733078 (США)

Обзор показал, что рабочая часть комбинированных инструментов для изготовления ОСП может быть изготовлена из различных видов инструментальных материалов, а соединение режущих элементов с корпусом инструмента может быть как разъемным (см. рис. 17, 19, 20, 23, 24), так и неразъемным (см. рис. 15). В патентах также указывается, что можно, варьируя направлениями движений при резьбофрезеровании, нарезать как правую, так и левую резьбу.
Конструкция комбинированных инструментов может предусматривать известные ранее особенности универсальных инструментов. Среди них отверстия в корпусе инструмента для подачи СОЖ (см. рис. 14, 24, д), использование универсальных сменных многогранных пластин (см. рис. 23), использование инструмента с вырезанной ниткой резьбы (см. рис. 24, а, б, г -ж) и т.д.
Таким образом, патентный обзор выявил новый класс комбинированных инструментов для обработки ОСП, которые обладают большими преимуществами и способностью к применению, чем инструменты на основе комбинации осевых инструментов с метчиком, применяемые до настоящего времени.
Суммируя проведенный выше анализ конструкций комбинированных инструментов и методов изготовления ОСП с резьбой, основанных на методах сверления и резьбофрезерования, можно указать следующие их основные конструктивные и технологические достоинства:
• возможность изготовления одним типоразмером инструмента ОСП с резьбой разного диаметра и одного шага (для однозубых инструментов возможно изготовление одним инструментом отверстий с резьбой разного диаметра и разного шага);

Рис. 18. Иллюстрация патента № 3627798 (Германия)

Рис. 19. Иллюстрация патента № 3737315 (Германия)

• получение фаски произвольной формы на торце ОСП;
• изготовление одним инструментом ОСП с правой и левой, однозаходной и многозаходной резьбой (вывод основан на анализе технологических возможностей резьбовых фрез);
• присущая процессу фрезерования мелкая стружка, легко отводимая из зоны резания, облегчает процесс изготовления ОСП;
• возможность замены комплекта инструментов, необходимых для изготовления ОСП (как правило, сверло, зенкер и метчик);
• получение резьбового отверстия за один технологический переход как в подготовленном отверстии, так и в сплошном материале.
Существенным ограничением в применении комбинированных инструментов с элементами сверла и резьбовой фрезы в настоящее время может стать недостаточная оснащенность машиностроительных предприятий оборудованием, способным обеспечить обработку одновременно по трем координатам.

Рис. 20. Иллюстрация патента № 3921734 (Германия)

Рис. 21. Иллюстрация патента № 3922707 (Германия)

Рис. 22. Иллюстрация патента № 4010075 (Германия)

Рис. 23. Иллюстрация патента № 5944462 (США)

Рис. 24. Иллюстрация патента № 6012882 (США)

Производственные испытания образцов сверло-резьбофрез показали большую перспективность применения этих инструментов для изготовления ОСП с резьбой при замене традиционной схемы обработки таких отверстий сверлом, зенковкой и метчиком.


Литература

1. Жарликов Н.В. Комбинированные режущие инструменты. Свердловск: Машгиз. Урало-Сибирское отд., 1961. 78 с.
2. Кузнецов Ю.И., Маслов А.Р., Банков А.Н. Оснастка для станков с ЧПУ: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990.512с.
3. Загурский В.И. Прогрессивные способы обработки резьбы. Свердловск: Машгиз. Урало-Сибирское отд., 1960. 164с.
4. Журнал "Оборудование: рынок, предложение, цены". Приложение к журналу "Эксперт". Обработка резьбы. Серия "Техническая библиотека". Выпуск 2. 48 с.
5. Трудов А.А., Комаров П.Н. Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент. М.: НИИмаш, 1980. 64 с.
6. А.Е. Древаль, П.Д. Булахов, А.В. Литвиненко. Разработка комбинированных резьбообразующих инструментов / Новые технологии, оборудование, оснастка и инструменты для механической обработки и сборки: Матер, семин. / "Знание" РСФСР. Моск. дом науч.-техн. проп. М., 1990. С. 153-156.
7. В.А. Гречишников, Н.А. Уваров. Комбинированный инструмент с планетарным движением для обработки отверстий сложной формы /Журнал НТО, 2000. № 1. С. 13.
8. Д.А. Локтев. Современный инструмент для "обрабатывающих центров" /Журнал НТО, 2000. № 2. С. 41.
9. Литвиненко А.В., Мальков О.В. Общий случай профилирования зубьев резьбовой части сверло-резьбофрезы // Вестник МГТУ. Машиностроение, 1997. № 2. С. 77-84.
10. Литвиненко А.В., Мальков О.В. Выбор наружного диаметра резьбовой части сверло-резьбофрезы //Вестник МГТУ. Машиностроение, 1997. №3. С. 78-84.

Справочник инженерный журнал №10 (2002г.)

стр.49-57 О.В. Мальков, А.В. Литвиненко, Л.Д. Малькова

Статьи партнеров