Глава 7. Протяжки и прошивки

7.1. Типы протяжек и область их применения

Дальнейшее увеличение объема производства и улучшение качества продукции машиностроения и металлообработки невозможно без использования такого высокопроизводительного и точного процесса обработки, каким является протягивание, которое особенно эффективно в условиях серийного и массового производства.

Протягиванием получаются детали с высокой точностью размеров (до 7-го квалитета точности) и малой шероховатостью (R_a до 1,0...0,20 мкм). По производительности процесс протягивания в 5...10 раз выше фрезерования и в 10...15 раз выше растачивания и развертывания. Кроме того, протяжные станки несложны по кинематике и просты в обслуживании, так как чаще всего одно главное поступательное движение резания встроено в кинематическую схему станка, а движение подачи заложено в самой конструкции протяжного инструмента.

Различают процесс протягивания и прошивания. При протягивании (рис. 7.1, а) инструмент, представляющий чаще всего длинный стержень с постепенно увеличивающимися по размеру зубьями, работает на растяжение, а более короткая прошивка (рис. 7.1,б) проталкивается через отверстие и работает на сжатие и продольный изгиб. Так как прошивки имеют меньшую длину, чем протяжки, возможности применения их ограничены. Учитывая, что при обработке протяжками и прошивками имеет место один и тот же физический процесс срезания слоя металла, а также одинаковые конструктивные параметры их режущих частей, в дальнейшем рас-матриваются только протяжки, которые имеют более широкое применение, чем прошивки.

Обработка поверхностей протягиванием производится как на обычных горизонтально- и вертикально-протяжных, так и на специализированных станках. Одним из направлений в совершенствовании процесса протягивания является замена горизонтально-пробных станков вертикально-протяжными. Последние занимают меньшую производственную площадь и более просты в обслуживании, так как рабочему после каждого прохода не приходится снимать и закреплять протяжку.

В настоящее время применяются протяжные станки непрерывного протягивания, а также станки для протягивания прямых зубьев круговых зубьев конических шестерен. В первом случае зубья дисковой протяжки расположены на периферии, во втором — на торце.

Протяжка является многолезвийным режущим инструментом, при работе которого в контакте с протягиваемой деталью находится одновременно несколько режущих лезвий, имеющих большую суммарную длину. Практически протяжка является инструментальной наладкой, за один проход которой производится черновая и чистовая обработки.

Процесс протягивания заменяет строгание, фрезерование, черновое шлифование, зубо- и резьбонарезание и др. Протяжка можно классифицировать [5, 8, 22, 38]:

1. по виду обрабатываемых поверхностей — на внутренние и наружные. Первые применяются для обработки замкнутых контуров или отверстий самой различной формы, а вторые — для обработки незамкнутых или открытых наружных поверхностей;

2. в зависимости от метода формирования протянутых поверхностей— на режущие и деформирующие или выглаживающие. Режущими протяжками срезается слой металла, а деформирующими или выглаживающими — деформируется, уплотняется и выглаживается поверхностный слой;

3. в зависимости от способа отвода стружки — с принудительным завиванием и со свободным отводом стружки;

4. по способу распределения нагрузки между зубьями по срезанию припуска под протягивание — на протяжки обычной или профильной, генераторной или смешанной; групповой или прогрессивной схем резания, а также комбинированные;

5. внутренние протяжки подразделяются по форме протягиваемых отверстий — на круглые; шлицевые прямобочные, эвольвентные и остроугольные (елочные); квадратные; шестигранные; фасонные и т. д.;

Рис. 7.1. Схема работы протяжки и прошивки

6. наружные протяжки в зависимости от формы обработанных поверхностей подразделяются на плоские, полукруглые и фасонные;

7. в зависимости от конструктивного исполнения — на цельные быстрорежущие и твердосплавные малых размеров, с твердого сплава, со вставными зубьями, наборные и т. д.

Методы протягивания и протяжной инструмент непрерывно совершенствуются [14, 15]. При конструировании протяжек должны быть учтены требования, способствующие более надежной их работе, а также повышению долговечности работы протяжек и увеличению производительности процесса протягивания, что может быть достигнуто:

а) за счет оснащения протяжек более износостойкими и прочными инструментальными материалами;

б) усовершенствованием конструктивных элементов и геометрических параметров протяжек;

в) улучшением технологии их производства.

Рис. 7.2. Групповая прогрессивная круглая протяжка

переменного резания

Рассмотрим геометрические параметры и конструктивные элементы на примере протяжек групповой схемы резания, которые получили преимущественное применение в металлообрабатывающей промышленности.

Групповая круглая протяжка переменного резания (рис. 7.2) состоит из соединительной части, которая включает хвостовик 1,шейка 2, переходной конус 3 и переднюю направляющую часть 4.

Хвостовик служит для закрепления протяжки в быстросменном патроне на станке. По форме хвостовики бывают цилиндрические и призматические. Цилиндрические хвостовики изготавливают под быстросменный патрон и резьбовые. Они применяются для внутренних протяжек обычных и малых размеров. Призматические хвостовики используются для наружных протяжек. Диаметр цилиндрического хвостовика должен быть меньше диаметра предварительного отверстия (D_XB = D_OTB-0,5 мм). Он выполняется по посадке F9 длиной от 2 D_OTB ДО 5 D_OTB. Передняя направляющая часть обеспечивает центрирование и направление протяжки при вхождении режущих зубьев в контакт с обрабатываемой заготовкой. Длина передней направляющей части протяжки l_п.н обычно принимается при протягивании отверстий длиной до 2,5D протяжки:

l_п.н = l_и + 0,5t_реж мм,

где l_и — длина протягиваемого изделия, мм; t_реж — шаг режущих зубьев, мм (рис. 7.3).

Форма передней направляющей в поперечном сечении соответствует форме отверстия до протягивания. Размеры ее устанавливаются исходя из условий обеспечения ходовой или легкоходовой посадки 7-го квалитета точности, т. е. по гарантированному зазору.

Задняя направляющая часть 5 протяжки предназначается для направления и центрирования детали в момент окончания протягивания. Форма ее должна соответствовать форме протянутого отверстия и изготовляется с гарантированным зазором по ходовой посадке 7-го квалитета точности. Длина направляющей части должна быть больше, чем расстояние от опорного торца детали до ее центра тяжести. Для поддержания тяжелой протяжки больших размеров при установке ее на протяжном станке и возвращения после рабочего хода в исходное положение служит заднее направляющее устройство —цапфа 6. Рабочая часть протяжки включает режущие, калибрующие и уплотняющие зубья. Режущая часть состоит из черновых, переходных и чистовых зубьев. Черновыми зубьями срезается основная часть припуска под протягивание. Наибольший подъем на секцию черновых зубьев (s_черн = 0,4...1,2 мм) имеют соответственно групповые протяжки при обработке стали и чугуна. У чистовых зубьев малые подъемы (s_чист = 0,05...0,005 мм), в результате получаются протянутые поверхности с малой шероховатостью.

Для обеспечения плавности работы протяжки между черновой и чистовой ее секциями имеются две-три пары переходных зубьев с постепенно уменьшающимися подъемами: от 0,4...1,2 до 0,03...0,05 мм.

Рис. 7.3. Элементы режима резания, геометрические элементы и конструктивные элементы зубьев протяжки

Количество черновых зубьев у протяжек групповой схемы резания может быть определено по формуле

,

где A_о—общий припуск на сторону под протягивание, мм. Назначается он в зависимости от размеров и формы обрабатываемой поверхности и степени ее подготовленности под протягивание и т. д.; A_пер и A_чист — припуск на сторону переходных и чистовых зубьев, мм; s_черн—подъем на секцию зубьев, мм; z_c—число зубьев в секции. Расчет количества черновых зубьев для протяжек профильной схемы резания производится по формуле

.

Количество чистовых зубьев с постепенно уменьшающимся подъемом от 0,05 до 0,005 мм определяется необходимостью получения поверхностей определенной шероховатости.

Число калибрующих зубьев (3...8) назначается в зависимости от степени точности и конструкций протягиваемой детали и протяжки, а диаметр зубьев

D_к = D_макс ± δ_макс,

где D_макс—наибольший диаметр протянутого отверстия, мм; δ_макс— величина разбивки ( - ) или усадки ( + ) диаметра отверстия, мм. Для тонкостенных деталей

δ_макс = + (0,005...0,02) мм, толстостенных δ_макс = - (0,01...0,015) мм.

Шаг калибрующих зубьев обычно составляет t_h= (0,6...0,7) t_реж.

При выборе числа зубьев и назначении диаметра деформирующих или выглаживающих также учитываются упругие деформации (0,005...0,08) мм материала и толщина стенок отверстий протягиваемого изделия. Подъем на секцию из двух зубьев не должен превышать 0,02 мм. К тому же последние два деформирующих зуба имеют меньший диаметр, чем предыдущие. Шаг выглаживающих зубьев составляет t_в.деф = 5...20 мм в зависимости от длины протягиваемой детали (l_и= 10...200 мм).

Геометрические параметры разных зубьев и формы стружечных канавок показаны на рис. 7.3.

Величины передних углов режущих γ_peж = - 5...+ 25° калибрующих γ_кал зубьев принимаются в зависимости от свойств обрабатываемого материала (рис. 7.3).

Задние углы зубьев внутренних протяжек принимаются с учетом сохранения их размеров при переточках, поэтому для черновых и других режущих зубьев α_черн=3.. .4°, а для калибрующих α_кал = 30'...1°30'. С целью повышения стойкости зубьев наружных протяжек, установка которых на размер может быть легко регулируема, их задние углы могут быть увеличены до 6...10°. Для уменьшения сил трения по задней поверхности зуба об обработанную поверхность режущие зубья затачиваются до остра. При этом оставляются ленточки не более 0,02...0,03 мм для контроля размеров зубьев. На калибрующих зубьях величина фаски должна быть не более 0,2 мм.

Профиль деформирующих зубьев может быть разный (рис. 7.3, б). Однако радиусные поверхности зубьев и фаски должны быть тщательно доведены до

R_z = 0,05...0,1 мкм. Кроме того, между геометрическими параметрами нерадиусной канавки первого типа существуют зависимости:

R = (0,15 ... 0,25)t_в; f = (0,8 ...1,0)√t_в;

h = (0,15 ... 0,25)t_в; r =0,05t_в; φ = 3 ... 4°.

Форма и размеры стружечных канавок протяжек (рис. 7.4) зависят от условий протягивания: свойств обрабатываемого материала, длины протягиваемой поверхности, режима обработки, геометрических параметров зубьев, а также направления лезвия по отношению к вектору скорости, благодаря чему осуществляется прямоугольное или косоугольное резание.

При прямоугольном протягивании сталей и других пластичных металлов образуется стружка элементная, скалывания или сливная (в виде плоских спиралей Архимеда) (рис. 7.4, a, б, г—е). При обработке протяжками со свободным выходом генераторной схемы и боковом отводе с переменной глубиной канавки стружка имеет соответственно форму сплошной ленты или шпаги (рис. 7.4, ж, з) и конической или цилиндрической винтовой спирали (рис. 7.4, и).

При обработке чугуна, бронзы и других хрупких металлов получается сыпучая стружка надлома в виде отдельных несвязанных или слабо связанных валиков, которые легко разрушаются и обычно заполняют всю площадь канавки (рис. 7.4, в).

Стружка, получаемая при обработке пластичных металлов, отличается по форме и размерам от срезаемого слоя. Количественной оценкой пластической деформации может быть коэффициент усадки, который изменяется в зависимости от условий обработки в широких пределах (ξ = 1,3...3,5). При увеличении толщины среза и скорости протягивания стружечные валики увеличиваются и для их размещения требуются стружечные канавки больших размеров. В зависимости от соотношения радиуса естественного завивания стружки ρ и радиуса округления r у передней поверхности стружечной канавки может быть свободное [8] (при ρ<r) (см. рис. 7.4, г) или принудительное (при ρ≥r) (см. рис. 7.4, д) завивание стружки. Во втором случае стружка более экономно размещается в канавке двухрадиусной формы. При этом величина коэффициента заполнения меньше (К = 2,7...3,0), в то время как при обычном, или свободном, завивании стружки, а также при высоких скоростях резания коэффициент заполнения имеет большую величину (К=3...5).

Рис. 7.4. Типы стружек и формы стружечных канавок

протяжки

Коэффициент заполнения при протягивании пластичных металлов, когда срезаемая стружка располагается в активной части двухрадиусной стружечной канавки, определяется исходя из соотношения

,

где F_акт — площадь активной части двухрадиусной стружечной канавки, мм²; F_ср.сл- площадь срезаемого слоя, мм². Ниже приводятся соотношения между параметрами двухрадиусной стружечной канавки (см. рис. 7.3, а):

h =(0,38 ... 0,45) t; R = (0,65 ... 0,7) t;

g = (0,30 ... 0,35) t; r = 0,5h.

У протяжек, применяемых при обработке чугуна, бронзы и других хрупких металлов, когда сыпучая стружка надлома занимает все пространство однорадиусной стружечной канавки, коэффициент заполнения (К = 2...2,5) рассчитывается исходя из заполняемости всей площади канавки:

,

где F_полн — полная площадь однорадиусной канавки, мм²

;

h и t — глубина канавки и шаг зубьев протяжки, мм.