Формообразование резьб планетарным раскатыванием

Использование бесстружечных метчиков, несмотря на ряд недостатков, имеет существенные преимущества перед нарезанием резьбы, такие как повышение эксплуатационных свойств резьбы, повышение коэффициента использования материала, исключение проблем, связанных с отводом стружки и заклиниванием инструмента. Для обработки метрических резьб используются машинно-ручные и гаечные бесстружечные метчики (ГОСТ 18839–73, ГОСТ 18844–73) в диапазоне диаметров 1…36 мм и шагов 0,2…2,0 мм. Бесстружечные метчики испытывают при работе всестороннее сжатие со стороны заготовки, поэтому использование инструментов с большим диаметром и шагом резьбы приводит к увеличению крутящего момента при резьбонакатывании, что вызывает необходимость в наличии оборудования с достаточно большим крутящим моментом шпинделя и предъявляет дополнительные требования к надежности закрепления заготовки на станке.

При использовании планетарных раскатников, работающих по кинематической схеме с параллельными осями инструмента и резьбы [1–6], имеется возможность конструктивно убрать связь между диаметрами резьбы и инструмента, в результате чего происходит перераспределение материала в локальной зоне, что позволяет снизить величину крутящего момента при обработке. Кроме того, в результате использования диаметра инструмента меньшего, чем диаметр резьбы, можно управлять скоростью раскатывания независимо от перемещения инструмента по винтовой траектории формообразования.

Применение планетарного раскатывания особенно актуально для материалов, обработка которых резанием затруднена вследствие их высокой пластичности и вязкости, что приводит к затруднению стружкообразования и стружкоотвода, снижает надежность резьбонарезного инструмента. Проведен литературный обзор и анализ производственной программы производителей бесстружечных метчиков для обработки метрических, унифицированных дюймовых, трубных, электротехнических, трапецеидальных и круглых резьб. По данным Dormer, Gühring Inc., EmugeCorporation, CERATIZITGroup, REIMENORISGmbH, ООО «СТАМО Тулс», выпускаются бесстружечные метчики диаметром от 2 до 24 мм с шагом от 0,5 до 3 мм для обработки резьб в заготовках из конструкционных, автоматных, ферритных, мартенситных и аустенитных нержавеющих сталей, алюминия, меди, никеля и титана, а также сплавов на их основе.

Использование планетарного раскатывания позволит использовать преимущества бесстружечных метчиков наряду с преимуществами кинематической схемы резьбофрезерования и может существенно расширить диапазон диаметров формообразуемой резьбы за счет снижения момента резьбообразования. В общем случае можно сформулировать следующие основные преимущества планетарного раскатывания:

•  универсальность, т. е. обработка ряда типоразмеров резьб с одинаковым шагом одним типоразмером инструмента;
•  отсутствие стружки и необходимости ее удаления;
•  поломка инструмента не требует дополнительной операции его извлечения из отверстия;
•  при увеличении диаметра обрабатываемой резьбы крутящий момент, необходимый для вращения инструмента, не увеличивается, как в случае обработки бесстружечным метчиком;
•  кинематически не связанная с обеспечением шага резьбы частота вращения инструмента, что позволяет назначать необходимую скорость главного движения для обеспечения заданной производительности;
•  в материале детали образуются остаточные напряжения сжатия, что повышает эксплуатационные свойства резьбы.

На рис. 1 показана кинематическая схема планетарного раскатывания. Раскатник получает главное движение формообразования D_r — вращение вокруг своей оси, и планетарное движение подачи D_s, которое является суммой двух движений — вращения вокруг оси обрабатываемого резьбового отверстия и перемещения вдоль его оси, согласованных таким образом, что за один планетарный оборот инструмент перемещается вдоль оси резьбы на величину ее шага.

Основной частью раскатника, представленного на рис. 2, является стандартная оправка для торцевых фрез SK40-FMB16-45 (по DIN 69871), которая устанавливается в шпиндель станка и имеет базовую цилиндрическую поверхность для установки формообразующих дисков и торцевые шпонки для передачи крутящего момента на рабочую часть. Конструкция инструмента включает в себя следующие элементы: оправку 3 для установки в шпиндель станка; формообразующие диски 2; торцевые шпонки для передачи крутящего момента 5; винты для фиксации торцевых шпонок на оправке 6; шайбу 4 и центральный винт 7 для фиксации дисков от перемещения в осевом направлении.

Для передачи крутящего момента с оправки на формообразующие диски используется дистанционная втулка с пазами под торцевые шпонки, служащая также для установки дисков на необходимом расстоянии от торца оправки. Формообразующие диски имеют сквозные отверстия для установки круглого штифта, фиксирующего диски от проворота на оправке.

В работе использован один формообразующий диск с профилем метрической резьбы в его осевой плоскости, вращающийся в главном движении формообразования в плоскости, перпендикулярной оси инструмента [1, 6]. Для расширения технологических возможностей изготовления резьбовых отверстий в листовых материалах может быть использован комбинированный инструмент [2].  При необходимости снижения силы формообразования можно использовать инструмент с формообразующими дисками, имеющими наклон относительно оси инструмента, за счет чего образуется осевое колебание резьбообразующих профилей [3, 4].

Для упрощения формообразования профиля и его последующего контроля предложена модель, в которой цилиндрическая поверхность отверстия для резьбы заменена плоской поверхностью торца заготовки.  

Проведено экспериментальное исследование формообразования профиля резьбы с использованием планетарного раскатника (рис. 2) с целью отработки получения профиля резьбы при назначении заданной глубины внедрения инструмента в плоский торец заготовки.

В качестве заготовки выбрана пластина деформируемого алюминиевого сплава марки АК4. Габаритные размеры пластины: 164×69×16,5 мм. Исследовался профиль резьбы с шагом 1,5 мм, использовался инструмент с рабочей частью из одного деформирующего диска диаметром 29,29 мм.

Рабочая высота профиля рассчитана по формуле:

  мм

Так как при пластическом деформировании происходит перераспределение выдавленного материала от впадины к вершине резьбы, глубину внедрения инструмента при раскатывании принимаем равной:

мм (принимаем 0,41 мм).

Оборудование для проведения эксперимента: станок координатный сверлильно-фрезерно-расточной с ЧПУ модели 24К40СФ4. Режимы раскатывания:  частота вращения шпинделя n=500 мин^–1; величина подачи S=50 мм/мин; направление вращения шпинделя: по часовой и против часовой стрелки (в зависимости от схемы обработки); направление движения инструмента: попутное, встречное. Раскатывание производилось с непрерывной подачей СОЖ марки Fuchs Ratak 6210R.

Заготовка устанавливалась на динамометр Kistler 9257B для контроля силовых параметров процесса обработки и сравнения попутной и встречной схемы движения инструмента.

На рис. 3 показан общий вид рабочей зоны станка, включающей в себя инструмент 1 [6], заготовку 2, динамометр 3, крепежные винты с шайбами 4, машинные тиски 5, а также систему координат динамометра с составляющими Fx, Fy, Fz.

На торце заготовки были сформированы три профиля впадин резьбы. Шаг между профилями принимался равным 2 мм, во избежание влияния соседних канавок друг на друга и искажения профиля.

На рис. 4 показана общая форма профиля впадины резьбы, обработанной планетарным раскатником с использованием расчетных значений глубины внедрения формообразующего диска. При сравнении полученного профиля с профилем метрической резьбы по ГОСТ 9150–2002 рассматривалась величина рабочей высоты профиля.

На рис. 5, 6 представлены области входа и выхода инструмента из контакта с заготовкой, по которым можно заметить искажения профиля полученных канавок в данных областях. 1 — искажение профиля канавки вследствие выдавливания материала на боковую сторону заготовки; 2 — материал, выдавленный на боковую сторону заготовки.

Определены средние значения составляющих силы при обработке впадин. При попутной схеме обработки: Fx = –25,2 Н, Fy = 422,5 Н, Fz = 28,1 Н При встречной схеме обработки: Fx = 88,2 Н, Fy = 451,6 Н, Fz = 15,5 Н.

Протокол эксперимента представлен в табл. 1.

Таблица 1.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• Все полученные впадины имеют одинаковую глубину, независимо от схемы обработки.
• При расчетной глубине внедрения инструмента 0,406 мм получены впадины резьбы, имеющие недостаточную глубину, поэтому следует увеличить глубину внедрения инструмента.
• Предложенная упрощенная модель не позволяет в полной мере заменить измерения профиля с помощью шлифов, т. к. имеются наплывы материала на боковых сторонах заготовки, в результате чего искажается профиль полученных впадин, и нет возможности корректно оценить углы профиля и прямолинейность боковых сторон.

Требуются дальнейшие исследования по определению глубины внедрения и изготовление шлифов для оценки профилей полученных впадин.