При обработке гильз гидроцилиндров диаметром от 80 до 250 мм необходимо обеспечить точность диаметрального размера и отклонений расположения обрабатываемых поверхностей, в частности - точность положения оси отверстия относительно наружной цилиндрической поверхности. В период установившегося резания плавающий двухлезвийный блок самоустанавливается, в отверстии заготовки происходит равномерное деление припуска между двумя режущими кромками. В то же время условия резания каждой режущей кромкой неодинаковы (разные геометрия, степень износа режущих кромок, механические свойства обрабатываемого материала), поэтому необходимо обеспечивать равные условия стружкообразования, устанавливая одинаковые режущие пластины и проведя их тщательную наладку [1, 2, 6].

Для устранения несовпадения осей инструмента и заготовки при чистовой обработке интегральным и дифференцированным способами на труборасточных станках моделей РТ, револьверных и других станках используются самоустанавливающиеся инструменты. Наиболее прогрессивными являются самоустанавливающиеся двухлезвийные блоки, которые обеспечивают наилучшее приближение оси мерного инструмента к оси обрабатываемого отверстия, исключая изгибные деформации корпуса инструмента [1, 6].

Обработка отверстий самоустанавливающимися мерными инструментами вследствие их большой жесткости исключает или существенно уменьшает влияние факторов, вызывающих погрешность обработки, таких как погрешность базирования обработанной детали и режущего инструмента, податливость технологической системы, нестабильность механических свойств обрабатываемого металла.Для компенсации указанного несовпадения осей рекомендуется использовать самоустанавливающуюся технологическую оснастку (СТО) [1, 2].

Несмотря на достаточно широкое применение СТО, механизм самоустанавливаемости этой оснастки изучен недостаточно, что и объясняет отсутствие методики ее расчета. Наибольшая точность расположения отверстий достигается с помощью самоустанавливающейся технологической оснастки, которая обеспечивает наилучшее приближение оси мерного инструмента к оси обрабатываемого отверстия, исключая изгибные деформации корпуса инструмента. Самоустанавливающийся инструмент в процессе работы способен приспосабливаться к незначительным отклонениям от соосности заготовки и инструмента. Оправка, в пазу которой установлен плавающий самоустанавливающийся двухлезвийный блок, применяется для чистового растачивания отверстий диаметром 80-250 мм.

На рис. 1 представлена конструкция интегрального расточно-раскатного модуля, применяемого на труборасточных станках модели РТ для получистовой и окончательной обработки гильз гидроцилиндров. Длительная эксплуатация такого комбинированного инструмента показала, что именно такой инструмент обеспечивает наибольшую точность и качество получаемой поверхности.

При обработке с помощью комбинированного инструмента на трубораскатных станках модели РТ используется плавающий резцовый блок (рис. 2). Он имеет два ножа 1 и 4 с пластинами твердого сплава 2. Ножи скреплены винтами 5. Для настройки резцового блока на размер служит винт 3.

Сущность обработки отверстий плавающими резцовыми блоками заключается в том, что при соприкосновении с заготовкой инструмент центрируется заборной частью относительно торцов обрабатываемого отверстия и в процессе резания формирует цилиндрическую поверхность. Процесс обработки отверстия самоустанавливающимися мерными инструментами (плавающими резцовыми блоками) состоит из периодов самоустанавливаемости, врезания и установившегося резания [1].

Рассмотрим математическую модель действующих сил при самоустанавливании плавающего резцового блока в интегральном расточно-раскатном модуле. В период самоустанавливаемости плавающий блок при подходе к заготовке контактирует с ней заборной частью одного из режущих лезвий (рис. 3). При сближении одной из режущих кромок заборной части блока с заготовкой во время подачи в месте контакта появляется нормальная сила реакции N, величина которой зависит от угла в плане w₀ заборной части режущей кромки и коэффициента трения на режущей кромке и в направляющем пазу державки, определяемой углом трения w.

Сила N раскладывается на две составляющие: осевую N_y и радиальную N_x.

Осевая сила N_y находится в виде:

N_y = N_x·ctg(w₀6w). (1)

Инструмент перемещается в радиальном направлении при условии, что сила N_y будет больше сопротивления трению T в направляющем пазе державки:

Сила трения от действия составляющей силы N_x определится в виде:

Отсюда условие осуществления ориентации лезвий блока относительно торцев обрабатываемого отверстия име- ет вид

или

ctg(w₀6w)Εm. (5)

Из неравенства (5) следует для облегчения самоустанавливания инструмента необходимо уменьшить угол в плане w₀ его заборной части и коэффициент трения как на заборной части инструмента (tg w), так и в пазу державки (m). При очень большом угле w₀ или большой силе трения в пазу державки может произойти самоторможение резцового блока и,как следствие, срезание стружки одним лезвием.

Определенным значениям m соответствуют предельные значения w₀, выше которых условие самоустанавливаемости нарушается (таблица).

Значения коэффициента μ от углов w и w₀

Определим скорость и время самоустанавливания блока в зависимости от величины смещения е_унач осей I-I и II-II. Полная компенсация величины смещения е_унач пройдет тогда, когда центр блока (точка О) под действием подачи и силы трения переместится в точку О'. При этом блок по направлению движения подачи совершит путь l.

Из треугольника ОВО':

Этот путь в продольном направлении плавающий блок пройдет со скоростью

S∙n/60, (6)

где S - подача, мм/об; n - частота вращения заготовки, об/мин.

При условии, что время движения блока в продольном и поперечном направлениях до полной компенсации будет одинаково, скорость перемещения блока в пазу оправки запишется в виде:

Тогда, время смещения блока в радиальном направлении на величину е_унач

Время самоустановки блока определяется величиной смещения е_унач, режимами резания и углом в плане w₀ плавающего блока.

С момента начала контактирования обеих режущих кромок инструмента о кромки заготовки наступает этап врезания. В период врезания начинается процесс стружкообразования, при котором появляется дополнительное трение в пазу державки, вызываемое моментом тангенциальных составляющих силы резания Р_z, а также увеличением трения от возрастания осевой составляющей силы резания Р_х. Теоретически период врезания должен соответствовать половине оборота заготовки и заканчиваться, когда параметры среза (толщина и ширина) достигнут номинального значения. Однако в связи с наличием дополнительного трения в пазе державки от сил P_z и Р_х, параметры среза не могут достичь номинального значения за половину оборота заготовки и поэтому период врезания занимает несколько большее время.

В период установившегося резания сила трения в направляющих плавающего инструмента полезна. Она препятствует возникновению вибрации инструмента, вызываемой дискретностью процесса резания и периодичностью мгновенных изменений сил резания на режущих кромках, приводящих к появлению разности радиальных сил Р_у.

Практически всегда ΔР ≠ Т, поэтому полной компенсации величины смещения е_унач в горизонтальной плоскости не бывает и всегда остается нескомпенсированная величина смещения е_укон, которая является одной из причин неточности обработки отверстий плавающими блоками.

На процесс совмещения осей инструмента и заготовки величина первоначального смещения е_унач не влияет. Следовательно, первоначальное смещение не будет сказываться на точности обработки отверстий самоустанавливающимися инструментами при условии исключения заклинивания их в момент самоустанавливания. Последнее может произойти при назначении большого угла в плане w₀ в конструкции самоустанавливающегося инструмента или при случайных чрезвычайно больших смещениях, когда первоначальное контактирование кромки заготовки происходит с передним торцом режущего блока, а не с главной режущей кроткой. Смещение влияет на длительность процесса самоустанавливания.

Для уменьшения времени самоустанавливания следует назначать по возможности больший угол в плане w_0. Было установлено, что трение между блоком и оправкой, проявляющееся в момент самоустановления инструмента в обрабатываемом отверстии, является основным фактором, снижающим точность обработки отверстий плавающими двухлезвийными блоками. При этом сила трения зависит от формы сопряжения корпуса блока с оправкой и величины зазора между ними. Оптимальная форма корпуса плавающего блока, сопрягаемого с оправкой по посадке с зазором - должна быть цилиндрическая.

Используя методику [1, 2] расчета самоустанавливания инструментов, рассчитали оптимальные условия для самоустановки плавающего резцового блока в интегральном расточно-раскатном модуле, при этом эксплуатация самоустанавливающихся резцовых блоков с твердосплавными пластинами показала, что производительность расточных работ блоками увеличилась по сравнению с растачиванием однолезвийными напайными резцами на 50-60%. Показатели точности после использования предлагаемого инструмента соответствуют 7-9 квалитетам точности, а конусность и овальность не превышают 0,02-0,03 мм, кроме того плавающий блок позволяет применять скоростные режимы ре- зания [3, 4].

Результаты научных исследований были внедрены на Карагандинских машиностроительных предприятиях (ТОО «Машзавод №1», Карагандинский литейно-механический завод «Корпорации Казахмыс»).

• Кенжин Б.М., д.т.н., профессор, директор ТОО «Карагандинский машиностроительный консорциум», г. Караганда;
• Тутанов С.К., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Высшая математика» Карагандинского государственного технического университета, г. Караганда.

Работа поступила в редакцию 30.04.2012.