Moskva, Moscow, Russian Federation
There is considered a thread-cutting process in ultra-small holes. It is revealed that cutting condition toughening arises because of the chip removal complexity and impossibility of chip complete filing in consequence of insufficient chip grooves volume.
tap, ultra-small diameter, thread-cutting, chip formation, reliability, chip section
В современном машиностроении нарезание резьбы метчиком в отверстиях сверхмалых диаметров является сложной технологической задачей. Трудности обусловлены пониженной прочностью инструмента, сложностью подвода смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в зону резания [1, 2]. В работе [3] установлено что, количество отказов метчиков увеличивается с увеличением длины нарезаемой резьбы и доходит до 80 %, а при реверсе до 40 %.
Как было установлено в работе [4], в процессе резьбонарезания в отверстиях сверхмалых диаметров в заготовках из алюминиевого сплава на рабочем ходу происходит заклинивание режущего инструмента в зоне резания. Данная закономерность прослеживается с диаметров ≤ М1,4, на обработку более крупных резьбовых отверстий проблема с заклиниванием инструмента на рабочем ходу не наблюдается.
В результате этого процесс резьбонарезания в отверстии сверхмалых диаметров характеризуется низкой надёжностью и на производстве операция выполняется вручную слесарями высокой квалификации.
Целью данной работ является выявлениt причин низкой надёжности процесса резьбонарезания в отверстиях сверхмалых диаметров метчиком в заготовках из алюминиевого сплава.
В работе был изучен процесс нарезания резьбы М1х0,25 в отверстиях ∅ 0,75 в алюминиевых сплавах Al3, АМг6, Д16. Использовались стандартные метчики М1х0,25 с тремя стружечными канавками и углом подъёма заборного конуса 14°, изготовленные из быстрорежущей стали Р6М5.
В работе [5] показано что, в процессе нарезания резьбы метчиком в отверстиях сверхмалых диаметров (≤ М1,4) процесс резания режущими зубьями метчика не однороден, условия резания каждого лезвия метчика различны и сечения полученной стружки колеблются от 0,000066 мм2 до 0,0048 мм2; толщина срезаемого слоя варьируется от 0 до 0,024 мм; также меняется форма профиля режущего лезвия.
В работе [6] выдвигалась теория, что на снижение надёжности процесса резьбонарезания основное влияние оказывает сходящая стружка, образующаяся в процессе резания и приводящая к заклиниванию режущего инструмента в обрабатываемом отверстии. С целью исключения заклинивания инструмента авторами предлагается применение комбинированного метода обработки, который заключается в непосредственно лезвийной и анодно-механической обработке, при которой происходит частичное растворение образовавшейся стружки в стружечных канавках инструмента в среде электролита под действием электрического тока.
В связи с тем, что нет физической возможности зафиксировать поведение сходящей стружки в процессе резьбонарезания метчиком в отверстиях сверхмалых диаметров, был проведён альтернативный эксперимент.
Суть эксперимента заключалось в следующем. Был взят токарный отрезной резец, изготовленный из быстрорежущей стали, который копировал заточку режущих лезвий метчика. Основным критерием заточки был радиус заострения главной режущей кромки. На токарно-револьверном станке с ЧПУ Bigliy-565 были обработаны заготовки из алюминиевого сплава марки АМг6 на скоростях резания равным скоростям резания в процессе обработки метчиком резьбовых отверстий сверхмалого диаметра.
Процесс обработки проходил с имитацией вспомогательного хода, при котором вращение метчика останавливается, осуществляется момент реверса и производится вспомогательный ход. В случае с токарной обработкой останавливалось вращение заготовки, задавалось обратное движение шпинделя станка и отвод режущего инструмента. Фотографии полученных стружек на толщинах резания 0,01 мм; 0,05 мм; 0,1 мм; 0,15 мм приведен на рис. 1 ‒ 4.
Как видно из фотографий, форма стружек в диапазоне толщин резания в условиях обработки резьбы метчиком в отверстиях сверхмалых диаметров имеет высокую пластичность, не скалывается и скручивается в спираль возле передней поверхности режущего инструмента. Данное поведение сходящей стружки в процессе обработки резьбовых отверстий метчиком в условиях обработки сверхмалых диаметров приводит к ужесточению процесса резания.
В процессе нарезания резьбы метчиком сложной задачей является отвод образовавшейся стружки из зоны резания. Стружка, которая в процессе нарезания резьбы не выводится из зон резания, пакетируется в стружечных канавках режущего инструмента.
Исследование метчиков под обработку резьбовых отверстий сверхмалых диаметров на возможность стружкоотвода и пакетирования в процессе резьбонарезания осуществлялось аналитическим методом.
3D-моделирование метчика с использованием программы SolidWorks позволило определить общий объём стружечных канавок метчиков различного типа размера. Так же были получен суммарный объём стружки, который необходимо удалить с целью нарезания резьбы.
Таким образом, суммарный объём стружечных канавок метчика М1 равен 0,576 мм3, а суммарный объём удалённого металла на максимальной длине обрабатываемого отверстия равен 0,979 мм3. Так как фактические значения суммарного объёма удалённого метала больше суммарного объёма стружечных канавок можно сделать вывод, что для обработки резьбового отверстия на максимальную длину возможностей пакетирования стружки в стружечных канавках метчика недостаточно.
Значения суммарного объёма стружечных канавок метчиков различных типов размеров и значения суммарного объёма удалённого металла приведены в табл. 1.
- Фактические величины объёмов стружечных канавок метчиков различного типа размера к объёму снимаемого материала в процессе обработки
|
Номинальный диаметр резьбы |
Объём снимаемого материала Vмат, мм3 |
Объём стружечных канавок Vкан, мм3 |
Vкан/Vмат |
|
М1 |
0,979 |
0,576 |
0,59 |
|
М1,4 |
2,15 |
3,762 |
1,75 |
|
М3 |
12,49 |
26,334 |
2,11 |
|
М5 |
48,719 |
109,56 |
2,25 |
|
М8 |
167,916 |
542,752 |
3,23 |
|
М12 |
468,304 |
1768,8 |
3,78 |
Согласно проведённым расчётам, при обработке отверстий сверхмалых диаметров ≤ M1,4 отношение объёма стружечных канавок метчика и суммарного объёма удаляемого материала становятся < 1. Это указывает на то, что объём стружечных канавок не достаточен для пакетирования стружки при нарезании резьбы в отверстии за один проход, что в свою очередь усложняет кинематику перемещения инструмента из-за необходимости производить дополнительный вспомогательный ход, для принудительного вывода стружки из зоны резания.
Приведем график (рис. 5) отношения объёма стружечных канавок метчиков различного типа размера к объёму удаляемого материала в процессе резьбонарезания.
Исходя из графика, можно сделать вывод, что в процессе резьбонарезания в отверстиях сверхмалых диаметров происходит ужесточение условий механической обработки за счёт снижения возможностей режущего инструмента пакетировать сходящую в процессе обработки стружку.
Заключение
- В процессе нарезания резьбы в отверстиях сверхмалого диаметра существует 100 %-ная вероятность заклинивания режущего инструмента в зоне резания на рабочем ходе вследствие недостаточного объёма стружечной канавки режущего инструмента.
- При толщинах резания в условиях обработки резьбы в отверстиях сверхмалого диаметра стружка имеет высокие пластичные свойства, что позволяет ей не скалываясь сворачиваться в спираль.
- Формирование сходящей стружки в условиях нарезания резьбы в отверстиях сверхмалого диаметра происходит непосредственно возле режущего зуба.
- Во избежание заклинивания режущего инструмента в процессе нарезания резьбы в отверстия сверхмалого диаметра необходимо производить дополнительный вспомогательный ход для выведения метчика из зон резания с целью удаления скопившейся стружки.
1. Grigoriev, S.N., Cherkasova, N.Yu. Investigation of wear-resistant coating upon barb formation at cutting through finite element method // Proceedings of the Inter. Scientif.-Tech. Conf. “Production, Technology, Ecology”. - Moscow: MSTU “STANKIN”, 2004. - pp. 840-844.
2. Blinov, P.M., Averiyanov, O.I., Averiyanova, I.O. Experimental Investigation of Chip Formation Process at Thread-Cutting in Blind Hole // STIN. - 2005. - No.3.
3. Kulikov, M.Yu., Yagodkin, M.V. Investigations of thread-cutting reliability in ultra-small holes // Kabardino-Balkaria: Proceedings of KBSU. - 2015. - No.5. - pp. 153-156.
4. Tolmachyov, S.A., Yevstigneeva, O.N. Tapping Relia-bility Increase // STIN, - 2002, - No.12. - pp. 17-20.
5. Yagodkin, M.V. Machining automation of threaded ul-tra-small holes // Bulletin of Bryansk State Technical Universi-ty. - 2018. No.1 (01) - pp. 42-48.
6. Kulikov, M.Yu., Yagodkin, M.V. Impact of concentra-tion of electrolyte and voltage in electric circuit upon tapping reliability in ultra-small holes using anode-machining // Science Intensive technologies in Mechanical Engineering. - 2018. - No.11 (89). - pp. 14-18.
7. RSS 19257-73. Openings for Metric Thread-Cutting.
8. RSS 17756-72. Thread Gauges with Full Thread Profile Insertions from 1 1 to 100mm. Design and Basic Dimensions.
9. RSS 24705-2004. Basic Interchangeability Standards. Metric Thread. Basic Dimensions.
