Russian University of Transport (MIIT) (Department of Technology of Transport Engineering and Repair of Rolling Stock, Professor)
Moscow, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
The purpose of this work consists in the reliability increase of thread cutting with the use of tap borers in super-small holes of aluminum alloy parts. The investigation methods used are based on classic regulations of the cutting theory, physical-chemical mechanics of materials, reliability theory and methods of statistical analysis. There are revealed the reasons of thread cutting low reliability and tool failure. The effectiveness of edge anode-machining use at thread cutting is researched. On the basis of data obtained there is carried out a calculation of basic indices of thread cutting reliability. A comparative analysis of the processing reliability indices obtained under standard conditions and with the use of the developed circuit of anode-machining is shown, the effectiveness of the latter use is presented. As a result of the investigations carried out there is developed a technology for thread cutting in super-small holes that ensures a considerable increase of reliability and allows excluding hand work during the process.
super-small diameter, reliability, thread cutting, failure intensity
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. Poduraev, V.N. Rezanie trudnoobrabatyvaemyh materialov / V.N. Poduraev. - M.: Vysshaya shkola, 1975. - 590 s.
2. Taratynov, O.V. Analiz faktorov, vliyayuschih na nadezhnost' raboty metchikov / O.V.Taratynov, O.I. Aver'yanov, S.A. Tolmachev // STanki INstrument. - 1999. - № 8. - 59 s.
3. Blinov, R.M. Razrabotka sposobov udaleniya struzhki pri sootvetstvuyuschem upravlenii ee formoy s cel'yu povysheniya nadezhnosti raboty metchikov pri narezanii rez'by v gluhih otverstiyah: dis.... kand. tehn. nauk / R.M. Blinov. - M, 2005. - 184 s.
4. Evstigneeva, O.N. Povyshenie nadezhnosti raboty metchikov pri narezanii rez'b v gluhih otverstiyah konstrukcionno-tehnologicheskimi metodami: dis.… kand. tehn. nauk / O.N. Evstigneeva. - Moskva, 2003. - 136 s.
5. Kulikov, M.Yu. Issledovaniya nadezhnosti processa rez'bonarezaniya v otverstiyah sverhmalogo diametra / M.Yu. Kulikov, M.V. Yagodkin // Izvestiya Kabardino-Balkarskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2015. - № 5. - S. 61-62.
6. Rykunov, A.N. Tonkoe tochenie. Metallicheskaya model', rezhimnye granicy, fizicheskie osobennosti i tehnologicheskie vozmozhnosti processa / A.N. Rykunov. - Rybinsk: RGATA, 2003. - 258 s.
7. Kulikov, M.Yu. Issledovanie vliyaniya SOTS i AMO na nadezhnost' processa rez'bonarezaniya v otverstiyah sverhmalogo diametra / M.Yu. Kulikov, M.V. Yagodkin, V.E. Inozemcev // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2018. - №4. - S.18-23. - https: //doi.org/10.30987/article_5b28d1942d3947.54309251.
8. Smolencev, E.V. Proektirovanie elektricheskih i kombinirovannyh metodov obrabotki / E.V. Smolencev. - M.: Mashinostroenie, 2005. - 511 s.
9. Gazizulin, K.M. Elektrohimicheskaya razmernaya obrabotka krupnogabaritnyh detaley v pul'siruyuschih rabochih sredah / K.M. Gazizulin. - Voronezh: VGU, 2002. - 243 s.
