Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Техническое задание

Спроектировать метчик для однопроходного нарезания особо точной сквозной метрической резьбы Ml6x2 в детали из стали 45 по ГОСТ 1050—88, твердостью НВ = 200, ϐв=600МПа, в условиях серийного производства. Длина резьбы — 25 мм. Допуск среднего диаметра резьбы — 60 мкм. Шероховатость боковых поверхностей Rа=3,2 мкм. Скорость резания — 6 м/мин. Охлаждение поливом 5%-ной эмульсией из эмульсола по ГОСТ 1975—75 с расходом 10 л/мин.

Изучение технического задания выявляет, что эта резьба намного точнее 2-й степени по ГОСТ 4608—81. В справочной литературе отсутствуют рекомендации по проектированию метчиков для нарезания таких резьб. Патентно-информационный поиск здесь необходим в большей степени, чем в случае проектирования инструмен- тов, которые нашли отражение в справочной литературе.

Выполним проект в соответствии с приведенным алгоритмом проектирования (см. п.2.1.2) путем последовательного выбора лучших вариантов элементов конструкции.

 

Проектирование рабочей части.

Выбор режущего материала и способа его закрепления.

По теплостойкости подходят все режущие материалы, за исключением углеродистых и низколегированных сталей, так как скорость резания относительно малая. По прочности нельзя применить минера- локерамику и СТМ. Твердые сплавы резать сталь с низкими скорос- тями не в состоянии. При низкой температуре резания режущая кромка пластин твердого сплава осыпается. Приемлемыми являются только быстрорежущие стали. Наиболее износостойкими из них при малых скоростях резания являются Р18 и стали повышенной, а также высокой теплостойкости, например, Р14Ф4, Р18К5Ф2 и др. По технологичности, особенно шлифуемости (наименее склонны к прижогам, что особенно важно при шлифовании резьбы), лучшими являются стали Р18 и Р6М5. Из-за дефицита вольфрама сталь Р18 почти не используется. Поэтому окончательно выбираем сталь марки Р6М5 по ГОСТ 19265—73. По экономичности нечего отсеивать, так как осталась только одна марка материала.

Всю рабочую часть метчика такого размера делают целиком из режущего материала. Поэтому способ закрепления режущего материала не выбираем.

 

Выбор схемы резания и разработка структурной схемы метчика.

Схема и кинематика резания, а также конструкция узла станка для установки и закрепления инструмента определяют структурную схему последнего. От этих парамегров зависит работоспособность инструмента, в том числе обеспечиваемая им точность и шероховатость обработанных поверхностей. Правильный выбор схемы резания и структурной схемы проектируемого метчика возможен только после выяснения причин образования погрешностей резьбы в процессе нарезания.

Подробное изучение литературы по этому вопросу ([132—134; 257; 265—268; 270] и др.) подтвердило мнение, изложенное в пп. 1.8.1 и 4.4.6 данной работы, что основными причинами неточности параметров нарезаемой резьбы являются осевые и радиальные силы, воздействующие на метчик. Осевые силы резания выталкивают метчик из нарезаемого отверстия, и под их воздействием опорные режущие кромки метчика снимают с прилежащих к ним сторон резьбы детали дополнительную стружку (рис. 1.60, г), расширяя впадины нарезаемой резьбы, искажая ее шаг и профиль. Внешние осевые силы, направленные в сторону осевых сил резания, например, силы перемещения шпинделя сверлильного станка, а также радиальные колебания метчика под действием внутренних и внешних радиальных сил усугубляют эти явления. Средний диаметр нарезаемой резьбы становится больше среднего диаметра резьбы метчика. Появляется так называемое разбивание резьбы. При этом чем больше разбивание, тем больше рассеивание размеров, ниже точность резь- бообработки (Шагун В.И. Взаимосвязь между разбиванием внутренней резьбы и ее точностью//Сб.: Наука — производству. — Мн.: ИНТИП, 1963. — С. 34—40). Поэтому для повышения точности необходимо уменьшать разбивание резьбы прежде всего от воздействия осевых сил, а затем — радиальных.

Внутренние радиальные силы вызваны радиальным биением режущих кромок метчика, разной длиной главных режущих кромок на разных перьях. Внешние радиальные силы — следствие радиального биения метчика от неточности его установки в шпинделе станка или от радиального биения шпинделя.

Влияние закручивания метчика иод действием момента резания (см. п.4.4.6) ощутимо только для резьб меньше М12 и в данной разработке учитываться не будет.

Решение поставленной задачи возможно по двум направлениям:

а)  исключение или хотя бы уменьшение осевых и радиальных сил;

б)  нейтрализация действия осевых и радиальных сил.

Уменьшения осевых и радиальных сил можно достигнуть оптимизацией по точности резьбообработки геометрических параметров метчика: увеличением передних и задних углов, оптимизацией угла в плане и угла наклона стружечных канавок [133; 268]. Наиболее эффективен выбор такого направления стружечных канавок (правые для правой резьбы и левые для левой) и угла их наклона (около 30°), которые создадут осевую силу по подаче метчика и смогут в какой- ю мере скомпенсировать силу перемещения шпинделя сверлильного станка, т.е. минимизируют избыточную осевую силу, воздействующую на метчик.

Можно предложить и схемы резания, минимизирующие осевые силы (рис. 2.66, а, б, г, д, е, з). Более рациональные из них — схемы г и з, так как они развивают осевую силу резания Рр по подаче метчика, значение которой можно подобрать приблизительно равным значению внешней осевой силы Рв, изменяя угол φ. В результате суммарная осевая сила Рр + Рв ≈ 0, а разбивание нарезаемой резьбы — минимальное.

Разнонаправлены силы Рр и Рв в случае использования метчика схемы резания б. Однако изменять величину силы Рр здесь нельзя, а уравновесить ее внешней осевой силой Рв невозможно, так как сила Рр сильно изменяется по мере захода в нарезаемое отверстие заборной части метчика. Метчик будет сильно подрезать левую л или правую п стороны резьбы (рис. 2.66).

Метчики схем резания е и ж очень сильно подрезают опорные стороны п резьбы (в большей степени метчики схемы в) так как Рр и Рв направлены в одну сторону.

Схемы резания а, д и е исключают только осевую силу резания Рр. Под действием внешней осевой силы Рв метчики, работающие по этим схемам, подрезают правую сторону n, а от левой л постепенно отходят. При этом у резьбы, формируемой метчиками схемы а, на левой стороне профиля остаются ступеньки, как и при нарезании стандартными метчиками (см. рис. 1.60, г). По профильным схемам д и е впадина резьбы по обеим сторонам, n и л, формируется единовременно боковыми режущими кромками полной длины последних режущих зубьев. Отставание метчика по шагу из-за подрезания правых сторон n резьбы

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

каждым последующим режущим зубом метчика значительно меньше, чем толщина среза а левой боковой режущей кромкой л (рис. 2.66, д). Поэтому весь режущий контур заборной части метчика всегда находится в плотном контакте с образуемой резьбой детали. Под действием осевой силы Рв расширяются от подрезания сторон п только полностью сформированные впадины нарезаемой резьбы. Подрезают калибрующие зубья метчика, последовательно входящие в нарезаемое отверстие. Однако подрезание и разбивание резьбы в этом случае значительно меньше, чем метчиками генераторных схем резания, например, схемы а, под действием осевых сил такой же величины. Аналогично влияние схемы резания з, возможно и жь при правильно выбранной толщине среза боковыми режущими кромками метчика. Недостатком профильной д и комбинированных ж w з схем резания, как выявлено некоторыми исследованиями, является повышенная шероховатость боковых сторон резьбы, нарезаемой в вязких металлах, в том числе и в стали. В меньшей мере это относится к схеме е, так как каждый зуб заборной части метчика режет только одной стороной.   Можно было предложить значительно больше комбинированных схем резания (комбинаций из схем я, б, в, г, д рис. 2.66), но в качестве примера достаточно рассмотренных.

Все схемы резания, показанные на рис. 2.66, хотя и менее технологичны, чем общепринятая (см. рис. 1.60, я), но реализуемы.

Затылование по наружной поверхности заборной части метчиков схем резания я, г и з можно выполнить на резьбошлифовальном станке специально спрофилированным шлифовальным кругом. Режущий контур такого круга должен быть обратным режущему контуру главных режущих кромок метчика.

Профильные д, е и комбинированные ж, з, а также генераторные б и в схемы резания можно обеспечить путем утонения зубьев заборной части метчиков дополнительным подшлифовыванием их правых сторон (схема б), левых сторон (схема в) или обеих сторон (схемы д—з). Для этого на заборной части готового метчика шлифуют резьбу увеличенного шага для утонения его зубьев с правых сторон п или уменьшенного шага для утонения зубьев с левых сторон л.

Метчики схемы резания е выполнены на базе метчиков схемы д дополнительным сошлифовыванием боковых сторон зубьев заборной части с правой и левой сторон в шахматном порядке от зуба к зубу в обход по винтовой линии. Один зуб подшлифован справа, а следующий — слева, и т.д. В результате зубья метчика режут нс двумя, а одной боковой режущей кромкой. Нет встречных потоков стружки. Возможно уменьшение шероховатости боковых сторон резьбы, если ее сравнить с нарезанной метчиками схемы б.

Таким образом, анализ схем резания, изображенных на рис.2.66, выявил, что наименьшее разбивание резьбы, нарезанной методом самозатягивания на станках типа сверлильных, обеспечивают метчики, работающие по схеме резания з. Теоретически они допускают возможность исключить осевую силу, как фактор разбивания резьбы. Несколько хуже схема резания г, но она более технологична по сравнению со схемой з. Кроме того, стойкость метчиков схемы резания г выше, крутящий момент меньше и шероховатость боковых сторон резьбы, нарезанной в стали, тоже меньше.

Структурная схема метчика стандартной конструкции известна. Однако изучение причин разбивания резьбы позволяет дополнить стандартную структурную схему метчика опорными элементами, которые ограничат радиальные колебания метчика и замкнут осевую силу на себя. В результате разгрузятся опорные режущие кромки метчика, устранится разбивание резьбы под действием осевых сил. Таким образом, реализуется второе направление повышения точности резьбы — нейтрализация действия осевых и радиальных сил.

Предлагаются опорные бочкообразные элементы на боковых сторонах резьбы калибрующей части метчика, образованные затылова- нием профиля резьбы по схеме рис. 1.58, з. Эти элементы воспринимают осевые силы, и метчик не в состоянии резать боковыми кромками калибрующей части. Однако в начале резьбы на длине обычной заборной части метчика резьба разбивается. Поиски путей исключения такого разбивания привели к появлению метчиков с различной формой и разным расположением опорных бочкообразных элементов:

  • метчик с ведущими перьями — метчик с четным числом перьев, у которого перья через одно выполнены с бочкообразными элементами на всей длине резьбы рабочей части (А.с.288519 СССР. Метчик для нарезания точных резьб / М.Х.Гольфельд, В.В.Матве- ев, В.Н.Выбойщик, И.Я.Мирнов, А.Е.Дыхнов. — Опубл. в сб.: Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки.- 1970, 36.— С. 185);
  • метчик с режуще-ведущими зубьями, у которых опорные элементы особой формы на всей длине резьбы рабочей части, но расположены так, что боковые кромки метчика могут резать (А.с.580954 СССР. Метчик для нарезания точных резьб / В.В.Матвеев, В.Н.Коноплев, Ю.Н.Кашутин. — Опубл. в Б.И., 1977, 43),
  • метчик режуще-выглаживающий, средний диаметр резьбы по опорным элементам калибрующей части такой же, как и на заборной; режуще-деформирующий, у которого средний диаметр по опорным элементам калибрующей части на 0,01—0,03 мм выше среднего диаметра резьбы режущих зубьев на заборной части;
  • режуще-деформирующий с первых ниток резьбы и др.

Указанные метчики, по данным исследований Челябинского технического университета, в России, обеспечивают резьбы четвертой степени точности.

Нейтрализацию действия осевых сил можно обеспечить нарезанием резьбы по копиру, выполнив на метчике заднюю резьбовую направляющую часть (см. рис. 2.53, з), которая совместно с копирной гайкой приспособления воспримет осевые силы на себя и обеспечит метчику осевую подачу, строго соответствующую шагу нарезаемой резьбы, исключив тем самым ее разбивание под действием осевых сил.

Для нейтрализации, хотя бы частичной, влияния радиальных сил, приводящих к разбиванию резьбы из-за радиальных колебаний метчика, можно предложить гладкую переднюю направляющую часть (см. рис. 2.53, д) с направлением по нарезаемому отверстию или втулке приспособления. Радиальные колебания метчика останутся в пределах зазора между направляющими поверхностями* Практически беззазорное направление можно обеспечить по поверхностям резания ыавными режущими кромками метчика, выполнив на затылочных поверхностях зубьев заборной части горбообразные опорные элемен- ты (рис. 2.67). Они почти полностью устраняют радиальные колебания метчика и, с точки зрения точности резьбообработки, являются предпочтительными. Опорные элементы образуют затылованием с использованием специального кулачка (рис. 2.67, а) или плоской за- точкой заборной части (рис.2. 67, б).

 

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

На основе анализа, изложенного выше, выбираем метчик с задней резьбовой направляющей и опорными горбообразными элементами на заборной части, реализующей стандартную генераторную схему резания (см. рис. 1.60, а). Принятые структурная схема и схема резания представляются целесообразными, так как они обеспечат наиболее высокую точность резьбообработки и приемлемую технологичность конструкции метчика.   Выбор геометрических параметров метчика.

Поскольку точность резьбообработки обеспечивается структурной схемой метчика, то геометрические параметры можно оптимизировать по приведенным затратам на операции его использования. Эти затраты меньше, если экономичность и производительность метчика выше, т.е. когда он проще в изготовлении, срок его службы больше (выше стойкость) и меньше время врезания.

Научные исследования и производственная практика выработали конкретные рекомендации по выбору геометрических и других параметров, которые нашли отражение в стандартах, справочной и учебной литературе. Воспользуемся этими рекомендациями [237]:

  • передний угол γ-10°;
  • задний главный угол α=6°;
  • задний вспомогательный угол α1=0° 20′;
  • главный угол в плане φ=20° (выбран максимально возможным, с целью сокращения длины заборной части и повышения производительности за счет сокращения времени врезания и вывертывания метчика);
  • вспомогательный угол в плане φ1 обеспечивается обратной конусное 1ью 0,1 мм на 100 мм длины;
  • стружечные канавки прямые, как наиболее технологичные. Форма рабочих поверхностей оказывает влияние на приведенные затраты через стойкость и технологичность метчика. Поскольку в литературе нет сведений о влиянии формы этих поверхностей на стойкость инструментов, то выбираем их по технологичности: передняя поверхность — плоскость, а главная задняя — коническая заты-лованная по схеме рис. 2.67, а.

Проверим достаточность рекомендуемых значений задних углов и угла в плане.

Главный угол в плане φ влияет не только на производительность, но и на шероховатость обработанной поверхности, крутящий момент и стойкость метчика. Чем меньше ср, тем меньше толщина среза а. В результате меньше шероховатость обработанной поверхности, выше стойкость метчика, но больше крутящий момент. По ГОСТ 3266—81 для метчиков Ml6x2 длина заборной части метчика l1 должна быть равна 12 мм (рис.2.68, а). Тогда

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

 

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе  

Для стандартных метчиков Ml6 число перьев п = 3 [94]. Толщина среза при этом составит 0,093 мм.

Экспериментальные исследования, выполненные автором (Шагуп В.И. Влияние параметров метчика на шероховатость поверхностей резьбы, нарезаемой машинными метчиками//Сб.: Исследования в области технологии образования резьб, резьбообразующих инструментов, станков и методов контроля резьб. — Тула: ТПИ, 1980. — С. 125), выявили, что четырехперые метчики с φ≈15° обеспечивают Ra = 2 мкм при нарезании резьбы шагом 2 мм по копиру, т.е. в условиях, близких к принятым нами. Этому значению φ соответствует толщина среза а=0,14 мм. Если угол φ увеличить до 20°, то толщина среза составит 0,17 мм. Есть основания полагать, что при такой толщине среза заданная шероховатость Rа=3,2 мкм будет обеспечена. Таким образом, подтверждаем, что угол в плане φ=20° выбран правильно, так как заданная шероховатость боковых поверхностей нарезанной резьбы обеспечивается с высокой производительностью резьбообработки.

Оптимальный по стойкости задний угол а у быстрорежущих резцов, работающих с толщинами среза 0,17 мм (см. табл. 2.2 данной работы), равен 12°. Это справедливо и для остальных инструментов. Поэтому для проектируемого метчика назначаем α=12°. Малое значение α=6с рекомендовано справочной литературой лишь потому, что в случае больших а при вывертывании метчика иод его затылочные поверхности возможно попадание стружки и ее защемление; режущие зубья метчика сказываются. В нашем случае попадание стружки под затылочные поверхности метчика предотвращается его опорными элементами l, плотно прилегающими к поверхностям резания (см. рис. 2.67).

Оптимальность выбранных значений остальных геометрических параметров можно уточнить лишь экспериментом в конкретных условиях резьбообработки. Поэтому их оставляем ранее принятыми по рекомендациям справочной литературы.

 

Выбор способов формирования и отвода стружки из зоны резания, расчет зубьев и тела рабочей части инструмента на прочность и жесткость, оптимизацию шага, размеров, формы зубьев и стружечных канавок не производим.

Стружка, как и у всех многолезвийных инструментов, свободно сходит по передней поверхности, формируется стружечной канавкой и в ней размещается.

Шаг зубьев, в данном случае перьев, определяется их числом Рекомендуются три пера [6]. Выбираем четыре, так как это стабилизирует положение метчика в нарезаемом отверстии и облегчает точные измерения параметров резьбы метчика.

По данным исследований В.В.Матвеева [132], прочность метчика М16 достаточная, тем более, что в связи с увеличением главного угла в плане до 20° уменьшается число режущих зубьев, хотя число режущих перьев увеличивается с трех до четырех. Достаточная прочность метчика многократно подтверждена производственной практикой.

Отработанные инструментальной промышленностью формы перьев и стружечных канавок в поперечном сечении изображены на рис. 2.69. Они отвечают всем требованиям, изложенным в п.2.2.6 данного пособия.

Конкретные значения параметров поперечного сечения метчика [1].

  • диаметр сердцевины dc=0,5d=8 мм;
  • ширина пера b=0,28d=4,5 мм;
  • радиус на донышке канавки r=4 мм,
  • радиус спинки R определяется остальными параметрами стружечной канавки;
  • передний угол спиночной кромки η = —15°.

Параметры η, r и R обеспечиваются канавочной фрезой, чертеж и номер которой указывается в технических требованиях на чертеже вместо конкретных значений этих параметров.

 

Определение размеров и формы рабочей части.

Форма рабочей части общеизвестна. Это в принципе винт с прорезанными вдоль оси стружечными канавками. Передняя часть сошли- фована на конус и затылована по наружной поверхности.

Длина рабочей части l (рис. 2.68) по ГОСТ 3266—81 составляет 32 мм. Длина заборной части l1 определяется углом в плане φ и диаметром переднего торца dт.

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе   При принятой по ГОСТ длине рабочей части длина калибрующей части

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

что составляет 13 ниток резьбы. По данным исследований автора, для устойчивого положения метчика в отверстии достаточно 4 калибрующих нитки. Уточненная длина калибрующей части составит 4 шага плюс запас на переточки, который можно определить лишь после расчета допускаемых отклонений параметров метчика.

Расчет исполнительных размеров резьбы метчика.

Наибольшую сложность представляет назначение предельных отклонений среднего диаметра резьбы метчика. Для решения этой задачи воспользуемся методикой данного пособия (см.п.2.2.8.2) с привлечением работ по точности резьбообработки.

В соответствии с рис. 2.43 полный допуск на средний диаметр резьбы метчика

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Проверим возможность использования метчиков 1-го класса точности, самых точных по ГОСТ 16925—71. Отклонение шага резьбы ΔР у таких метчиков допускается в пределах ± 10 мкм, а половины угла профиля Δ(β/2)=±10 минут. Диаметральные компенсации ошибок шага и половины профиля вычислим по формулам работы [6]:  

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

По результатам опубликованных работ автора в условиях нарезания резьбы, близких к рекомендуемым, рассеивание размеров собственно среднего диаметра нарезаемой резьбы составляет 20 мкм. Тогда полный допуск на средний диаметр

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Сочетание наибольших значений принятых в расчете погрешностей маловероятно. Статистическое сложение погрешностей позволит несколько расширить полный допуск на средний диаметр резьбы метчика: Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе   По ГОСТ 11188—82 допуск только на изготовление составляет 14 мкм. На износ остается очень мало. Поэтому необходимо ужесточить отклонения параметров резьбы метчика. Назначим их такими же, как и для резьбовых калибров:

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Полученное значение полного допуска на средний диаметр резьбы метчика надо разделить на две части: на изготовление и на износ.  

По мере затупления метчика средний диаметр нарезаемой резьбы значительно уменьшается из-за увеличения упругого восстановления обработанных поверхностей. По данным работ автора за 7,5 минут резания он уменьшается на 15 мкм. Ширина площадки износа по задним поверхностям метчика достигает при этом всего лишь 0,15 мм, а по уголкам — 0,74 мм. Нетрудно прийти к выводу, что допуск на средний диаметр резьбы метчика (допуск на изготовление) следует принять, как и для резьбовых калибров, а именно Td2N = 10 мкм, а на износ оставить 25 мкм.

Отклонения среднего диаметра резьбы метчика определяем по рис.2.43. В случае разбивания среднего диаметра нарезаемой резьбы

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе   Если имеет место усадка среднего диаметра, то   Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе   Анализ уже выполненных исследований (см.работы автора) позволяет на стадии проектирования принять Рmах = 20 мкм, a Pmin = 0.

Тогда esd2N =+60-20=+40 мкм =+0,040 мм; eid2N=+40-l0=+30 мкм= =+0,030 мм.

Уточнить значения Рmах или Уmin можно лишь экспериментом. Для этого в принятых условиях резьбообработки спроектированным метчиком нарезают партию отверстий (не менее 25 шт.) и измеряют собственно средний диаметр их резьбы. Ряд измеренных значений статистически обрабатывают. Получают средние значения разбивания или усадки, а также вероятные границы их распределения, необходимые для вычисления предельных значений разбивания или усадки среднего диаметра нарезаемой резьбы.

Допуски на наружный и внутренний диаметры метчика принимаем по ГОСТ 11188—82.

Верхнее отклонение наружного диаметра esdN= +0,156 мм.

Нижнее отклонение наружного диаметра eidN = +0,108 мм.

Верхнее отклонение внутреннего диаметра esd1N= -0,040 мм.

Нижнее отклонение внутреннего диаметра eid1N нe ограничивается.

 

Выбор способов отвода теплоты из зоны резания.

При скорости резания 6 м/мин температура резания низкая. Она, безусловно, ниже оптимальной по стойкости. Поэтому нужно было бы не отводить, а подводить теплоту к зоне резания. Для повышения стойкости метчика в этих условиях особенно важно уменьшить трение на его контактных поверхностях качественной смазкой. Это обеспечивается поливом эмульсией, как указано в задании на проектирование. Эмульсия хорошо проникает в зону резания и поэтому смазывает трущиеся поверхности лучше, чем вязкие масляные средства, с трудом проникающие в зону резания из-за переполнения стружечных канавок метчика стружкой. Подвод СОЖ по каналам в теле метчика невозможен из-за малых размеров последнего.

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

 

 

Окончательная оптимизация конструкции рабочей части

Выполненный расчет среднего диаметра резьбы метчика позволяет оптимизировать длину его рабочей части. Ранее (п.2.9.1.5) она принята по ГОСТ 3266—81 и составила 32 мм. Из допуска на износ, равного 25 мкм (см.п.2.9.1.6), на уменьшение среднего диаметра резьбы метчика от переточек по заборной части можно выделить не более 10 мкм, 15 мкм оставляем на уменьшение среднего диаметра 0т затупления метчика. При принятой обратной конусности по среднему диаметру резьбы 0,1.100 мм это соответствует стачиванию метчика по длине на (100/0,1)0,01 = 10 мм или на 5 ниток резьбы. 10 мм — минимально допустимая величина стачивания. Максимальная величина стачивания достигнет 20 мм, если метчик будет изготовлен с наибольшим предельным размером среднего диаметра. Таким образом, длина калибрующей части составит 18 мм (4 нитки для направления метчика в работе плюс 5 ниток на переточки). Общая длина рабочей части l=l1+l2=5+18=23 мм, что меньше рекомендуемой стандартом. Метчик будет экономичнее.

Экономичность метчика можно дополнительно повысить за счет технологичности. Упростим заборную часть метчика. Выполним ее общепринятой, без опорных элементов на затылочных поверхностях, так как есть основание полагать, что радиальные колебания метчика будут малыми за счет уменьшения, против рекомендуемого ГОСТ, радиального биения режущих кромок и «защемления» метчика в резьбовой направляющей втулке приспособления. Таким образом, примем первый вариант конструкции. Если предполагаемые ограничения радиальных колебаний метчика будут недостаточными, то нарезание первых деталей это выявит. Тогда вернемся к первоначальному варианту конструкции рабочей части с опорными элементами на затылочных поверхностях метчика.

На этой стадии проектирования анализ принятых решений выявил, что главный задний угол α=12°— это кинематический угол. Статический задний угол будет от него отличаться, так как подача большая, составляет 2 мм на оборот метчика, а не 0,2 мм, как у резца Поэтому по принятому оптимальному кинематическому αк=12° вычислим значение статического заднего угла α, необходимого для заточки метчика.

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе  

 

Проектирование присоединительной части.

  Метчик соединяется со шпинделем станка подвижно с использованием патрона лучшей конструкции (см. рис. 2.51, г). Хвостовик метчика цилиндрической формы с квадратом на конце по ГОСТ 3266—81, исполнение 2. Длина хвостовика 70 мм, а диаметр — 12,5 мм.  

Материал хвостовика — сталь 40Х но ГОСТ 4543—71. Соединяем с рабочей частью сваркой, желательно сваркой трением.

Работоспособность хвостовика многократно проверена произведственной практикой. Поэтому расчеты хвостовика на прочность, а квадрата на смятие не выполняем. Использование подвижного патрона для соединения метчика со шпинделем станка делает ненужными расчеты на жесткость и точность позиционирования.

   

Проектирование направляющей части.

Принята задняя резьбовая направляющая часть с направлением по кондукторной втулке приспособления. Необходимость этого была выявлена в процессе проектирования рабочей части. Направляющую выполняем за одно целое с рабочей частью метчика. К ним привариваем хвостовик.

Длина направляющей равна длине направляющей втулки (24 мм), плюс длина нарезаемой резьбы (25 мм), плюс длина заборной части метчика (5 мм), плюс расстояние от торца нарезаемой детали до торца направляющей втулки (10 мм), плюс запас на перебеги (10 мм). Итого длина составит 74 мм. Это очень большая длина. Экономичность такого метчика низкая. Необходимо искать другие решения.

Данный пример подтверждает высказанное в работе мнение, что соединение лучших элементов не всегда обеспечивает оптимальную связку.

 

 

Оптимизация конструкции метчика в целом.

Отказавшись от резьбовой направляющей части, примем метчики с ведущими перьями, воспринимающими осевые силы и с горбообразными опорными элементами на затылочных поверхностях для ограничения радиальных колебаний метчика. Внесем связанные с этим изменения в конструкцию метчика.

Вычислим угол в плане φ и длину l1 заборной части, так как только два режущих пера (два ведущих) :

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

При принятой толщине среза а = 0,17 мм

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Такое значение угла в плане обеспечивает минимальную разность в длине режущих кромок на противоположных перьях метчика, в связи с чем меньше вектор суммы радиальных сил, меньше разбивание резьбы [133].

Длина заборной части метчика (рис.2.68)

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Если кинематический задний угол метчика равен нулю, то его задняя поверхность (затылочная) плотно прилегает к поверхности резания, без зазора. На этой поверхности должны находиться самые высокие точки опорных элементов, ограничивающих радиальные колебания метчика. Вычислим положение опорных точек.  

Пусть задняя главная поверхность пера метчика afhc не затылова- на, а просто часть конической поверхности с углом уклона φ (рис. 2.70). ОО2— ось метчика. Линии ОО2 и аа1 параллельны между собой Оас и O1dв — два поперечных сечения, перпендикулярные оси ОО2

 

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

   

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Во время работы метчика каждая его точка перемещается по винтовой линии с шагом резьбы р. В таком случае точка b, двигаясь в направлении bа, должна перейти на место точки а Но это невозможно, так как точка b лежит на уровне точки d т.е. выше точки а на величину ed. Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе Но ed — это спад затылка ΔК, на угле поворота θ, при котором задний кинематический угол метчика равен нулю, а затылочная поверхность метчика опирается без зазора на поверхность резания. Таким образом, в радиальных сечениях самые высокие точки опорных элементов затылочных поверхностей метчика должны лежать ниже точек режущей кромки на величину ΔКθ = (Pθ/36O)tgφ, например, точка b должна быть ниже точки d на величину ed =ΔК0 (рис. 2.70).   По формулам, необходимым для проектирования затыловочных кулачков, вычислим величины затылования метчика, используемые при его изготовлении и контроле.   Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе   Ширину пера b приняли меньше, чем ранее, а именно 4 мм вместо 4,5 мм, с целью облегчения затылования метчика.   Ведущие перья по наружному диаметру и профилю резьбы заты- луем от середины пера со спадом затылка 0,03 мм в сторону передней поверхности и спинки зуба (см. рис. 2.69).    Понижение образующей гребня горба на затылочной части метчика относительно режущей кромки, если θ=20°, составитПример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе   Скорректированный на угол φ=9о50′ статический задний угол α=12°25′. Принимаем 12°.  

 

Разработка технических требований.

Технические требования принимаем по ГОСТ 3449—84Е как экономически выгодные для средних условий производства. Ужесточаем только те из них, которые сильно влияют на точность резьбообработки.

Так, радиальное биение режущих кромок на заборной и калибрующей части метчика принимаем равным 0,015 мм. Для его обеспечения вводим новое требование: неравномерность окружного шага, которая не должна быть более 0,03 мм.

Ограничиваем циклические ошибки шага резьбы метчика ΔРu (рис.2.71), которые не выявляются общепринятым методом контроля

   

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

   

шага P, как расстояния между одноименными боковыми сторонами резьбы в осевом сечении. Циклическая ошибка шага — это выпадение режущих кромок метчика из теоретических винтовых поверхностей на величину ΔРа (рис.2.71). Принимаем ΔРa = 5 мкм. Тогда полный допуск на средний диаметр резьбы метчика

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Он уменьшился по сравнению с ранее вычисленным (без циклической ошибки шага) всего лишь на 1 мкм. Поэтому никаких изменений в допускаемые отклонения резьбы метчика не вносим.  

В связи с повышенной точностью метчика следует уменьшить, по сравнению с рекомендуемой стандартом, шероховатость некоторых его поверхностей, в первую очередь боковых поверхностей резьбы, а также передних и задних.

В числе дополнительных требований следует оговорить виды за- тылования и его параметры, а также указать, что шероховатость передних и задних поверхностей достигается доводкой, а не полированием, при котором неизбежны завалы режущих кромок. Из дополнительных видов обработки следует записать эпиламирование для уменьшения трения на контактных поверхностях метчика, что позволяет повысить его стойкость и точность резьбообработки.

Таким образом, с учетом положений ГОСТ 3449—84Е и соображений, изложенных выше, технические требования на метчик выглядят следующим образом.

Материал режущей части — Р6М5 по ГОСТ 19265—73. Твердость — 63—66 HRCэ

Материал хвостовика — сталь 40Х по ГОСТ 4543—71. Твердость на длине 38 мм от торца — 37—45 HRCэ.

Предельные отклонения размеров, мм:

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Неточность расположения поверхностей и кромок, мм:   Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе   Шероховатость поверхностей:

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

  Технологические требования:

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

Рабочий чертеж метчика представлен на рис.2.72.   Из приведенных требований очень жесткими являются: допускаемое биение главных режущих кромок и связанная с ним неравномерность окружного шага; предельные отклонения среднего диаметра и шага резьбы. Поэтому целесообразно выполнение небольших экспериментов в условиях эксплуатации метчика для уточнения этих требований. Может, окажется возможным их ослабить.

Пример разработки конструкции инструмента по методике, изложенной в работе

 

 

Смотрите также

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *