Про металлообработку

В практике машиностроения применяются следующие основные виды резьбонарезных фрез: гребенчатые, дисковые и головки для вих­ревого нарезания резьбы. Применение фрезерования вместо точения при нарезании наружной и внутренней резьб обеспечивает значительное повышение производительности за счет: 1) использования многозубого инструмента с большой суммарной активной длиной режущих кромок, одновременно снимающих стружку (гребенчатые фрезы); 2) увеличения толщины среза на один зуб (дисковые фрезы); 3) увеличения скорости резания за счет оснащения резцов твердым сплавом (головки для вихре­вого нарезания резьбы).

Гребенчатые фрезы.

Гребенчатые фрезы (рис. 1) применяются для нарезания остро­угольных наружных и внутренних резьб с мелким шагом на цилиндри­ческих и конических поверхностях заготовок. По сути, они представля­ют собой набор дисковых фрез, выполненных заодно целое на одном корпусе с профилем зубьев, соответствующим профилю резьбы. Поэто­му канавки между фрезами кольцевые. Для образования зубьев вдоль оси фрезы прорезаны либо прямые, либо винтовые стружечные канавки. Для образования задних углов зубья затылуют по архимедовой спирали.

Схема резьбофрезерования наружной резьбы цилиндрической гре­бенчатой фрезой представлена на рис. 2. Здесь ось фрезы устанавлива­ется параллельно оси заготовки. Фреза вращается вокруг своей оси со скоростью υ_ф, определяемой стойкостью инструмента, и в начальный момент врезается с радиальной подачей s_р=s_zzn_ф . После чего она пе­ремещается на величину одного шага резьбы P вдоль оси заготовки с подачей s_пр = P. При этом заготовка медленно поворачивается на 1.. .1¼ оборота. Здесь перебег, равный ¼ оборота, совершается для ком­пенсации пути врезания инструмента на заданную глубину профиля резьбы.

Соотношение между числами оборотов детали n_д и фрезы n_ф опре­деляется по следующим формулам:

где s_z — подача на один зуб фрезы; z — число зубьев (стружечных ка­навок) на торце фрезы; d₂ — средний диаметр резьбы, мм; d_ф — диаметр фрезы, мм.

Для фрез из быстрорежущей стали υ_ф = 25…30 м/мин, для твердо­сплавных фрез υ_ф=60…120 м/мин. Подача на зуб выбирается в зависи­мости от твердости обрабатываемого материала и находится в пределах s_z = 0,03…0,15 мм/зуб.

Недостатком гребенчатых фрез является искажение угла профиля нарезаемой резьбы из-за несовпадения траектории точек режущих кро­мок фрезы с кривой резьбы, получаемой в сечении, перпендикулярном к оси заготовки. У фрезы это окружность, а у нарезаемой резьбы — архи­медова спираль. Однако величина этого искажения мала и достигает 3…4′ — для наружной и 7…9′ — для внутренней резьб. Обычно она укла­дывается в пределы допуска на угол профиля крепежной резьбы с мел­ким шагом.

К основным конструктивным параметрам гребенчатых фрез отно­сятся: диаметры фрезы d и посадочного отверстия d₀, длина фрезы L, число зубьев (стружечных канавок) z , направление канавок, размеры профиля резьбы (угол профиля α, высота резьбы h, шаг Р), высота зуба Н, величина падения затылка k_z:

d = d_o + 2E + 2H

где Е — толщина стенки корпуса фрезы (Е = (0,3…0,4)d_o); Н — высота зуба фрезы:

H = h + k_z + r + e

где k_z — величина падения затылка; r — радиус у основания зуба; e — за­зор между впадиной зубьев фрезы и наружным диаметром заготовки.

Диаметры гребенчатых фрез для нарезания наружных резьб берут в пределах d=40…90 мм через 10 мм в зависимости от шага резьбы, а для внутренних резьб в зависимости от диаметра d_з отверстия в заго­товке d = (0,85…0,90)d_з в диапазоне d=10…40 мм через 5 мм. Длина фрезы должна быть больше длины нарезаемой резьбы на 2…3 шага, поэтому L = 15…100 мм. При этом с увеличением длины L возрастает величина искажения резьбы, полученная в результате термообработки.

Число зубьев гребенчатых фрез принимается равным

Стружечные канавки прямые или винтовые с углом наклона к оси фрезы ω=5…15°. При этом винтовые канавки обеспечивают более рав­номерную работу фрезы, хотя при этом на боковых кромках зубьев соз­дают разные по величине передние углы: с одной стороны — положи­тельные, а с другой — отрицательные, что ухудшает условия резания.

Так как угол контакта фрезы с заготовкой θ невелик (рис. 3), то это вызывает неравномерность нагрузки на зубья фрезы. Поэтому жела­тельно, чтобы в пределах угла θ находилось не менее двух зубьев.

Задние углы на боковых режущих кромках зубьев зависят от угла на вершине зуба:

tg α_б = tg α_в sin α/2

где α /2 — половина угла профиля резьбы (для метрической резьбы
α=60°); α_в — задний угол при вершине зуба (при α_в = 8…10°, α_б = 4…5°).

Передний угол γ быстроре­жущих фрез выбирается в зави­симости от свойств обрабаты­ваемого материала. Так, напри­мер, для твердых сталей, чугуна, бронзы и латуни рекомендуется брать угол γ = 0, для сталей средней твердости γ = 3…5°, для цветных металлов и сплавов γ = 10…12°. При положительных передних углах необходимо про­водить коррекционные расчеты для определения профиля фрезы в плоскости передней грани, в которой при изготовлении и пе­реточке производится его кон­троль. При этом следует учесть, что впадина резьбы фрезы не должна контактиро­вать с наружной поверхностью заготовки. Поэтому минимальная высота ножки резьбы h₂, отсчитываемая от среднего диаметра, должна быть больше высоты головки резьбы детали, равной h/2.

Этот пересчет ведется по формулам, приведенным в технической литературе, причем параметры, использованные в этих расчетах, пока­заны на рис. 4:

• высота головки резьбы на передней грани

• высота ножки резьбы

где β₁, β₂ — углы, рассчитываемые по формулам:

• полная высота резьбы

h = h₁ + h₂

• высота головки резьбы

h₁ = h/2 +δ_и

где δ_и — допуск на износ,

• высота ножки резьбы (с учетом зазора между ножкой резьбы фрезы и наружной поверхностью заготовки)

h₂ = h / 2 + 0,02 мм

• половина угла профиля резьбы фрезы

Дисковые фрезы.

Дисковые фрезы нашли при­менение при нарезании резьб больших глубин, диаметров и дли­ны. Например, их часто используют при нарезании резьб червяков, хо­довых винтов и т.п. Благодаря то­му, что фрезы являются многозу­быми инструментами, работают с большими подачами и нарезают резьбу за один проход, их произво­дительность по сравнению с резца­ми значительно выше.

При нарезании резьбы ось оп­равки дисковой фрезы устанавливается под углом т.к. оси заготовки, равным углу подъема резьбы на ее среднем диаметре (рис. 5). Фреза совершает вращательное движение, а заготовка — вращательное и поступательное движения вдоль своей оси с подачей на один оборот, рав­ный шагу резьбы.

Дисковые фрезы изготавливаются диаметром 60…180 мм и имеют большое число (z = 34…40) остроконечных зубьев. Благодаря этому обеспечивается высокая производительность и хорошее качество обра­ботанной поверхности. При нарезании трапецеидальных резьб с целью снижения сил резания и повышения стойкости фрез широкое распро­странение получили фрезы (рис. 6), у которых на каждой боковой стороне в шахматном порядке через один зуб удалены режущие кромки. Поэтому каждый зуб работает только одной боковой режущей кромкой, но с повышенной в 2 раза толщиной среза. При этом вершинные кромки остаются неизменными, так как на их долю достается толщина среза, в 2 раза большая, чем на боковые кромки. Для контроля профиля зубьев таких фрез после переточки один зуб оставляют с полным профилем.

Из-за наклона оси фрезы к оси заготовки и прямоли­нейности режущих кромок при фрезеровании трапецеи­дальной резьбы на червяках угол профиля резьбы ε_и и толщину зуба b_и на окружно­сти среднего диаметра инст­румента рассчитывают по формулам:

tg ε_и /2 = tg ε /2cos τ;

b_и = b cos τ.

Однако эти формулы являются приближенными, так как при более точном расчете оказывается, что профиль резьбы в сечении, нормаль­ном к виткам, не совпадает с профилем зубьев фрезы, который должен быть криволинейным. При малых значениях угла τ возникающая по­грешность профиля резьбы невелика, однако при τ >10…15° необходи­мо иметь более точные значения параметров профиля зубьев в сечениях фрезы и заготовки плоскостями, перпендикулярными к оси оправки. При этом на кривых сечения находят точки касания фрезы и заготовки и по ним строят профиль боковых режущих кромок зубьев фрезы.

Головки для охватывающего («вихревого») фрезерования резь­бы.

Головки для охватывающего («вихревого») фрезерования резь­бы применяются в тяжелом машиностроении для скоростного нареза­ния крупных резьб на ходовых винтах длиной до 10000 мм и диаметром до 1000 мм. Схема головки для охватывающего фрезерования показана на рис. 7. Она имеет достаточно сложную конструкцию и устанавли­вается на суппорте токарного станка с наклоном к оси заготовки под углом подъема резьбы τ. Головка с установленными в ней твердо­сплавными резцами охватывает заготовку и приводится во вращение от индивидуального привода со скоростью 100…450 м/мин.

Заготовке задается встречное вращение от шпинделя станка с невы­сокой скоростью. В процессе резания головка перемещается вдоль оси заготовки с подачей на оборот, равной шагу резьбы. Нарезание резьбы обычно производится за один, реже два прохода. В корпусе головки раз­мещаются 2…12 резцов, которые из-за смещения центра ее вращения относительно оси заготовки на величину Н вступают в контакт с заготов­кой периодически. Поэтому стружка, снимаемая каждым резцом, имеет переменную толщину, равную нулю в точке 1 начала и в точке 2 конца контакта и максимальную толщину в середине между этими точками, равную s_z. Такая форма стружки при ее относительно небольшой длине значительно облегчает условия ее удаления из зоны резания. Процесс фрезерования при этом неравномерный, поэтому требуется повышенная жесткость конструкции корпуса головки во избежание появления виб­раций.

Резцы с напайными твердосплавными пластинами (рис. 7, б) за­тачивают под углами γ = 0…6°, α_в = 6…8° на пластине и под углами α₂ = 15…20° на державке и α_б=6° на боковых режущих кромках. Бла­годаря высоким скоростям резания, хорошей транспортабельной форме стружки, низким радиальным нагрузкам такие головки позволяют наре­зать резьбы с высоким качеством поверхности на длинных жестких ва­лах. При этом производительность в 3…4 раза выше, чем при обычных резьбофрезеровании и точении.

Резьбовые резцы применяются для нарезания всех видов резьб и об­ладают следующими достоинствами: простотой конструкции, техноло­гичностью и универсальностью. Последнее достоинство заключается в том, что одним и тем же резцом можно нарезать на цилиндрической и конической поверхностях наружную и внутреннюю резьбы различного диаметра и шага.

Резьбовые резцы работают по методу копирования, поэтому про­филь их режущих кромок должен соответствовать профилю впадины нарезаемой резьбы. С целью повышения производительности иногда используется также генераторная схема резания.

Удаление припуска в процессе резьбонарезания производится в ус­ловиях несвободного резания при большой степени деформации сни­маемого материала. При этом формирование резьбы осуществляется, как правило, за несколько проходов при малых сечениях срезаемой стружки. В связи с этим производительность процесса резьбонарезания низка, поэтому резьбовые резцы в основном применяются в единичном и мелкосерийном производствах.

Являясь фасонным инструментом, резьбовые резцы могут быть трех типов: стержневые, призматические и круглые.

На рис. 1 представлены типовые конструкции резьбовых резцов стержневого типа: цельный из быстрорежущей стали; с напайной твер­досплавной пластиной; с механическим креплением твердосплавной пластины специальной формы, применяемой для нарезания наружной и внутренней резьб.

От обычных токарных резцов резьбовые резцы отличаются формой головки и профилем режущих кромок. Передний угол для простоты пе­реточки берется γ = 0. Задние углы на боковых режущих кромках в ста­тике α₁ = α₂ . При черновом резьбонарезании задние углы равны 4…6°, а при чистовом — 8…10°. На вершине резца угол α_в = 15…20°.

При нарезании резьб малого диаметра с большой глубиной профиля или многозаходных резьб с большим углом подъема резьбы (τ > 3…4°) необходимо учитывать влияние этого угла на величину фактических задних и передних углов, отличающихся от замеренных в статическом состоянии вне станка.

Как видно из рис. 2, а, при нарезании правозаходной резьбы и ус­тановке передней грани резца в осевой плоскости заготовки в сечении резца плоскостью, параллельной оси, на величину передних и задних углов боковых режущих кромок в кинематике оказывает влияние угол τ:

γ₁ = +τ ; γ₂ = -τ; α₁ = α_ст — τ; α₂ = α_ст + τ; τ = P/ πd

где α_ст — задние углы на боковых режущих кромках в статике; P — шаг резьбы; d — диаметр резьбы.

На правой режущей кромке из-за отрицательного переднего угла условия резания ухудшаются и ослабляется режущий клин. На левой кромке уменьшается задний угол, что приводит к снижению стойкости инструмента.

Строго говоря, угол τ изменяется по длине боковых режущих кро­мок, т.е. он больше во впадине резьбы и меньше на наружном диаметре. Но это изменение угла τ заметно только на резьбах с большой глубиной профиля, например трапецеидальных, и несущественно для остроуголь­ных крепежных резьб. В последнем случае в вышеуказанную формулу подставляют значение d₂ среднего диаметра резьбы.

При установке передней грани резца в плоскости, перпендикуляр­ной к виткам резьбы (рис. 2, б),

γ₁ = γ₂ = 0 и α₁ = α₂ = α_ст

т.е. условия резания становятся одинаковыми, но несколько искажается профиль нарезанной резьбы, у которой вместо архимедовой винтовой поверхности витков получается конволютная винтовая поверхность и их осевые сечения не совпадают. Поэтому первый способ установки резцов применяют на чистовых операциях с корректировкой задних углов при больших углах τ, а второй — на черновых операциях.

При многопроходном нарезании остроугольной резьбы резцами об­разование профиля резьбы может осуществляться по трем схемам (рис. 3): а) профильной — с радиальной подачей резца; б) генераторной — с подачей резца под углом к оси заготовки; в) комбинированной, со­стоящей из подачи под углом при черновой обработке и радиальной подачи — при чистовой (окончательной) обработке.

Достоинством генераторной схемы является увеличение толщины срезаемого слоя за один проход в 2 раза, что обеспечивает соответст­вующее сокращение проходов. Правая кромка в этом случае работает как вспомогательная кромка, оставляя ступеньки на обработанной по­верхности. Этот недостаток позволяет исправить применение комбини­рованной схемы.

При нарезании резьб с глубоким профилем, например трапецеи­дальных, формирование резьбы на предварительных операциях осуще­ствляют резцами с разным профилем режущих кромок, как показано на рис. 3, г.

Стержневые резцы обычно имеют небольшой запас на переточку и их установка относительно заготовки связана с определенными трудно­стями, которые не возникают при использовании фасонных призмати­ческих и круглых резьбонарезных резцов.

Призматические резцы (рис. 4, а, б) крепятся в стержневой дер­жавке с наклоном под углом α, который достигает 15°. С целью снижения сил резания передний угол γ устанавливают в зависимости от свойств обрабатываемого материала. Если угол γ > 0, то при расчете профиля режущей части в сечении, перпендикулярном к задней грани, вводят коррекцию на винтовое положение обработанных поверхностей канавки резьбы.

На рис. 4, б приведена расчетная схема призматического резца с γ > 0, из которой следует, что точка 2 профиля резца при повороте на угол β относительно осевой плоскости заготовки смещается одновре­менно вдоль оси на величину ΔР — доли шага резьбы.

Так как передний угол γ в точке 1 является углом внешним и не смежным с внутренними углами треугольника О12, то угол β = γ-γ₂. Из расчета фасонных резцов известно, что передний угол в точке 2 равен

Величину смещения ΔР точки 2 вдоль оси заготовки найдем из со­отношения углов поворота β и 2π и соответствующих им смещений вдоль оси:

Таким образом, профиль резца в плоскости N—N получается несим­метричным, а углы профиля с левой ε_л и правой ε_пр сторон не равны, т.е

Высота профиля резьбы t_Р может быть найдена из расчетной схемы в следующей последовательности:

t_P = C cos(α + γ).

Размеры по передней грани

После подстановки значений С и А получим

Круглые резцы (рис. 4, в) более технологичны в изготовлении, чем призматические, но имеют меньший запас на переточку и менее жесткое крепление. Для создания задних углов центр резца устанавли­вается выше центра заготовки. Расчет профиля таких резцов подобен расчету круглых фасонных резцов с учетом коррекции, показанной на примере расчета призматического резца с γ > 0.

Гребенки (рис. 5) — это многониточные фасонные резцы, которые могут быть стержневыми; призматическими; круглыми. Их используют главным образом для нарезания крепежных резьб с мелким шагом, т.е. резьб с небольшой высотой профиля.

Как показано на рис. 5, г, режущая часть гребенок состоит из за­борной части длиной ℓ₁, заточенной под углом φ к оси и калибрующей части ℓ₂ :

ℓ₁ = (1,5…2,0)P, ℓ₂ = (3…6)P

где P — шаг резьбы.

Угол заборной части φ = 25…30⁰, благодаря чему нагрузка распре­деляется между несколькими режущими кромками зубьев. Поэтому число рабочих ходов при нарезании резьбы уменьшается в 2…3 раза по сравнению с резьбовыми резцами. При нарезании резьбы за один про­ход длину заборной части увеличивают до ℓ₁=(3…4)P .

В начале рабочего хода гребенка имеет радиальную подачу на вре­зание и затем перемещается вдоль оси вращающейся заготовки с пода­чей на один оборот, равной шагу.

Стержневые гребенки можно изготавливать цельными или с меха­нически закрепляемыми специальными твердосплавными пластинами. Один из вариантов такой гребенки схематично показан на рис. 5, а.

У призматических гребенок (рис. 5, б) задний угол создается за счет наклона гребенки в державке, аналогично призматическим резцам.

Круглые гребенки (рис. 5, в) могут быть двух типов: 1) с кольце­выми витками; 2) с винтовыми витками. Они используются как для на­резания наружной, так и внутренней резьбы. При этом если канавки кольцевые, то ось гребенки должна быть наклонена к оси заготовки под углом подъема резьбы τ. У гребенок с винтовыми канавками направле­ние резьбы должно быть обратное направлению витков нарезаемой на­ружной резьбы. При нарезании внутренней резьбы направления витков гребенки и резьбы совпадают. Для уменьшения искажения профиля на­резаемой резьбы передний угол равен γ = 0, а задний угол создается за счет превышения центра гребенки над центром заготовки.