сотрудник
Российский университет транспорта (МИИТ) (кафедра "Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава", профессор)
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
аспирант
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
аспирант
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Повышена надежность процесса нарезания резьбы метчиками в отверстиях сверхмалых диаметров. Выполнен расчет основных показателей надежности процесса резьбонарезания. Сравнительный анализ этих показателей, полученных при обычной технологии и с исследованием нового способа лезвийной анодно-механической обработки, находят применение последней.
сверхмалый диаметр, надёжность, резьбонарезание, безотказность, интенсивность отказов
Введение
В современном машиностроении процесс нарезания резьбы метчиком является сложной технологической операцией. Причинами является заклинивание метчика и его последующая поломка в случае продолжения процесса нарезания [1,2]. Для предотвращения заклинивания используют реверс инструмента с последующим продолжением рабочего хода. Однако, поломка метчиков может происходить и при реверсе, так как при этом величина возникающего крутящего момента может превышать его значения при рабочем ходе [3]. Количество случаев поломки метчиков, возникающих при резьбонарезании, зависит от длины нарезаемой резьбы и доходит на рабочих ходах до 80 %, а при реверсе – до 40% [4]. Данная проблема усугубляется при нарезке резьбы в отверстиях сверхмалых диаметров (≤ М1,4). На современных промышленных предприятиях эту операцию выполняют вручную высококвалифицированные рабочие несмотря на наличие многооперационных металлорежущих станков. Это объясняется пониженной прочностью инструмента, обусловленной малыми размерами рабочей части метчика, затруднением подвода смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) в зону резания, а также увеличением количества реверсных ходов при обработке одного отверстия. Установлено, что объема стружечных канавок используемого метчика недостаточно для пакетирования образовавшейся стружки при нарезании резьбы сверхмалых диаметров [5]. Это приводит к заклиниванию инструмента и его последующей поломке. Кроме того, при таких размерах метчика сечение среза соизмеримо с радиусом закругления режущих кромок инструмента (R ≈ 0,01мм). В этих условиях осуществляется процесс микрорезания, который разделяется на:
- процесс непосредственно резания;
- упругопластическое подминание слоя обрабатываемого материала.
Это приводит к увеличению силы и ужесточению условий резания [6]. Процессы наростообразования ведут к увеличению фактического радиуса закругления режущих кромок метчика и интенсификации упругопластической деформации обрабатываемого слоя. Все эти процессы приводят к резкому увеличению момента резания и поломке режущего инструмента. Для её предотвращения необходимо при нарезке резьбы осуществлять реверс инструмента после каждого его рабочего оборота.
Способы повышения надежности процесса
Исследование по изысканию способов увеличения надежности процесса разьбонарезания в отверстиях сверхмалого диаметра показало бесполезность использования для этих целей смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) и износостойких покрытий, наносимых на режущий инструмент. Стоит отметить, что при нарезании резьбы в отверстиях больших размеров (М8 и более) данные способы показали свою высокую эффективность. Для повышения надёжности резьбонарезания в отверстиях малого диаметра предложено применение лезвийной анодно-механической обработки, заключающейся в том, что в момент обработки отверстия подаётся раствор электролита, а на деталь с режущим инструментом подаётся постоянный ток с целью растворения сходящей стружки непосредственно в стружечных канавках метчика [7]. Данный метод является комбинированным видом обработки [8], сочетающим одновременное механическое и электрохимическое воздействие на снимаемый слой обрабатываемого материала. Для этих целей к зоне резания подводится по специальной схеме электрическое поле и подается раствор электролита. В зависимости от поставленных задач один полюс (в нашем случае положительный) подключается к заготовке, второй (отрицательный) подключается к электроду специальной конструкции. В нашем случае он представляет четыре металлические иглы, расположенные под углом (~ 15-20°) относительно оси используемого металла. Напряжение подается после того, как состоялось касание заготовки и режущего инструмента.
В результате этого, в процессе механического воздействия происходит отделение стружки от обрабатываемой заготовки и ее последующее анодное растворение под воздействием электрического поля.
Используемая схема обработки предполагает последовательное воздействие на обрабатываемую заготовку, сначала механическое с образованием стружки, затем сразу электрохимическое анодное растворение в среде электролита сходящей стружки непосредственно на рабочих поверхностях инструмента [9]. Такое воздействие приводит к уменьшению объема стружки в стружечных канавках инструмента и отсутствию нароста на вершине режущего клина. Последнее предотвращает увеличение радиуса закругления режущих кромок инструмента. Суммарно это позволяет значительно снизить усилия резания и уменьшить возникающий момент резания.
Таким образом, в процессе нарезания резьбы в отверстии малых диаметров сначала происходит отделение стружки под влиянием механического воздействия, стружка пакетируется в стружечных канавках и под влиянием подаваемого электролита и электрического тока частично растворяется, изменяясь в объёме, что приводит к её сегментированию и дальнейшему удалению из зоны резания под воздействием СОТС.
Исследование надежности процесса резьбонарезания
В данном исследовании была выполнена наработка до отказа по 100 метчиков М1,4х0,3 при обработке резьбовых отверстий стандартным способом и с применением лезвийной анодно-механической обработкой. Испытания проводились на заготовках из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 6 мм. Контролировалось количество отверстий, обработанных каждым метчиком, получаемая при этом резьба соответствовала требуемым точностным характеристикам.
На основании методических указаний, описанных в ГОСТ Р МЭК 61124-2016, ГОСТ Р МЭК 60605-6-2007, выполнен расчёт основных показателей надёжности, а также на основании ГОСТ Р МЭК 61650-2007 проведён сравнительный анализ постоянных интенсивностей отказов при стандартных методах обработки и с применением анодно-механической обработки. В табл. 1, 2 показаны результаты проведённых экспериментов и расчёт показателей надёжности.
Таблица 1
Результаты проведённых экспериментов и основные показатели надёжности при нарезании резьбы метчиками М1,4х0,3 стандартным способом
|
ti |
N |
ri |
Ti |
n(t) |
P(t) |
f(t) |
λ(t) |
|
1 |
100 |
0 |
100 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
2 |
0 |
100 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
3 |
2 |
98 |
2 |
0,98 |
0,02 |
0,020 |
|
|
4 |
3 |
95 |
5 |
0,95 |
0,03 |
0,032 |
|
|
5 |
5 |
90 |
10 |
0,9 |
0,05 |
0,056 |
|
|
6 |
7 |
83 |
17 |
0,83 |
0,07 |
0,084 |
|
|
7 |
9 |
74 |
26 |
0,74 |
0,09 |
0,122 |
|
|
8 |
10 |
64 |
36 |
0,64 |
0,10 |
0,156 |
|
|
9 |
11 |
53 |
47 |
0,53 |
0,11 |
0,208 |
|
|
10 |
12 |
41 |
59 |
0,41 |
0,12 |
0,293 |
|
|
11 |
13 |
28 |
72 |
0,28 |
0,13 |
0,464 |
|
|
∑ |
|
72 |
826 |
|
|
0,72 |
|
Таблица 2
Результаты проведённых экспериментов и основные показатели надёжности при нарезании резьбы метчиками М1,4х0,3 с применением анодно-механической обработки
|
ti |
N |
ri |
Ti |
n(t) |
P(t) |
f(t) |
λ(t) |
|
1 |
100 |
0 |
100 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
2 |
0 |
100 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
3 |
0 |
100 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
4 |
0 |
100 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
5 |
0 |
100 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
6 |
0 |
100 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
7 |
0 |
100 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
8 |
1 |
99 |
1 |
0,99 |
0,01 |
0,010 |
|
|
9 |
2 |
97 |
3 |
0,97 |
0,02 |
0,021 |
|
|
10 |
2 |
95 |
5 |
0,95 |
0,02 |
0,021 |
|
|
11 |
3 |
92 |
8 |
0,92 |
0,03 |
0,033 |
|
|
12 |
4 |
88 |
12 |
0,88 |
0,04 |
0,046 |
|
|
13 |
5 |
83 |
17 |
0,83 |
0,05 |
0,060 |
|
|
14 |
6 |
77 |
23 |
0,77 |
0,06 |
0,078 |
|
|
∑ |
|
23 |
1331 |
|
|
0,08 |
0,084 |
Здесь: ti – порядковый номер обрабатываемого отверстия; N – число метчиков в выборке; ri – число отказов метчиков на отверстие ti; Ti – число обработанных отверстий; n(t) – суммарное число отказавших метчиков к ti; P(t) –вероятность безотказной работы метчиков; f(t) – плотность распределения наработки до отказа; λ(t) –интенсивность отказов.
Анализ рис. 1а, на котором изображён график вероятности безотказной работы метчиков показывает, что вероятность безотказной работы метчиков при обработке резьбовых отверстий малых диаметров с применением лезвийной анодно-механической обработкой выше по сравнению со стандартными видами обработки. В свою очередь, гамма - процентный ресурс, установленный в соответствии с рекомендациями ГОСТ Р МЭК 60605-6-2007, равный 87%. При этом, стандартным методом обработки будет нарезано 5 резьбовых отверстий, а с применением анодно-механической обработкой 12 резьбовых отверстий. Анализ графиков на рис. 1б,в показывает, что плотность распределения наработки до отказа и интенсивность отказов меньше при использовании анодно-механической обработки по сравнению со стандартными методами обработки. Это свидетельствует о том, что использование лезвийной анодно-механической обработки значительно увеличивает надежность процесса резьбонарезания метчиками в отверстиях сверхмалых диаметров.
|
|
|
а) |
|
|
|
б) |
|
|
|
в) |
|
Рис. 1. Графики показателей надёжности: а) P(t) вероятность безотказной работы метчиков; б) f(t) – плотность распределения наработки до отказа; в) λ(t) – интенсивность отказов
|
Выводы
Проведённые исследования позволили сделать следующие выводы.
- Применение метода лезвийной анодно-механической обработки позволило значительно увеличить надежность процесса резьбонарезания метчиками в отверстиях сверхмалых диаметров ресурс инструмента при обработке резьбовых отверстий малых диаметров, уменьшить число отказов и увеличить количество обработанных отверстий единичным метчиком.
- Обеспечена стабильность изготовления резьбовых отверстий малого диаметра в деталях из алюминиевого сплава в условиях АМО, что позволит перевести обработку на многофункциональные обрабатывающие центры.
1. Подураев, В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов / В.Н. Подураев. - М.: Высшая школа, 1975. - 590 с.
2. Таратынов, О.В. Анализ факторов, влияющих на надежность работы метчиков / О.В.Таратынов, О.И. Аверьянов, С.А. Толмачев // СТанки ИНструмент. - 1999. - № 8. - 59 с.
3. Блинов, Р.М. Разработка способов удаления стружки при соответствующем управлении её формой с целью повышения надёжности работы метчиков при нарезании резьбы в глухих отверстиях: дис.... канд. техн. наук / Р.М. Блинов. - М, 2005. - 184 с.
4. Евстигнеева, О.Н. Повышение надёжности работы метчиков при нарезании резьб в глухих отверстиях конструкционно-технологическими методами: дис.… канд. техн. наук / О.Н. Евстигнеева. - Москва, 2003. - 136 с.
5. Куликов, М.Ю. Исследования надёжности процесса резьбонарезания в отверстиях сверхмалого диаметра / М.Ю. Куликов, М.В. Ягодкин // Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. - 2015. - № 5. - С. 61-62.
6. Рыкунов, А.Н. Тонкое точение. Металлическая модель, режимные границы, физические особенности и технологические возможности процесса / А.Н. Рыкунов. - Рыбинск: РГАТА, 2003. - 258 с.
7. Куликов, М.Ю. Исследование влияния СОТС и АМО на надёжность процесса резьбонарезания в отверстиях сверхмалого диаметра / М.Ю. Куликов, М.В. Ягодкин, В.Е. Иноземцев // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2018. - №4. - С.18-23. - https: //doi.org/10.30987/article_5b28d1942d3947.54309251.
8. Смоленцев, Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки / Е.В. Смоленцев. - М.: Машиностроение, 2005. - 511 с.
9. Газизулин, К.М. Электрохимическая размерная обработка крупногабаритных деталей в пульсирующих рабочих средах / К.М. Газизулин. - Воронеж: ВГУ, 2002. - 243 с.
