Лекция 15 Протяжки

Являются многозубым металлорежущим инструментом, осуществляющим процесс срезания слоев металла за счет превышения ширины или высоты последующего зуба по отношению к ширине или высоте предыдущего при отсутствии движения подачи. Это превышение называют подъемом зуба протяжки S_z.

Точность обработки протяжкой составляет 6…7 квалитет (реже 5), шероховатость поверхности R_a = 0,63…0,02 мкм.

Отдельные типы протяжек стандартизованы.

Классификация

1. По способу применения:

• для внутреннего протягивания:

а) для круглых отверстий,

б) шлицевые протяжки,

в) фасонные протяжки различного профиля;

• для наружного протягивания:

а) плоские,

б) полукруглые,

в) фасонные.

2. По способу приложения силы к ней:

• сила приложена к хвостовику протяжки и растягивает ее – протяжка,

• сила приложена к торцу протяжки и сжимает ее – прошивка.

3. В зависимости от применяемой схемы резания:

• одинарные (профильные),

• групповые (прогрессивные),

• генераторные.

4. В зависимости от конструктивного исполнения:

• цельные,

• сборные,

• со вставными зубьями,

• наборные, оснащенные кольцами твердого сплава.

Протяжки – узко специализированный инструмент, предназначенный для обработки одной или нескольких определенных деталей и в тоже время – это дорогой инструмент. Это обусловливает рентабельность применения их в массовом и крупносерийном производстве. Но это не исключает применение их в мелкосерийном производстве, в частности, когда точность обработки может быть получена только протягиванием, например, обработка многошлицевых отверстий, или обработка винтовых шлицевых отверстий.

Достоинства применения протяжек:

1. Протяжка – один из самых производительных режущих инструментов, хотя скорость резания мала (4…15 м/мин), однако она имеет большую длину режущих кромок, одновременно участвующих в срезании слоев металла.

Большая производительность также из-за того, что каждая протяжка соединяет в себе черновые, чистовые и калибрующие зубья, благодаря чему одной операцией протягивания могут быть заменены две или три отдельные операции.

2. Позволяет получать высокие точность обработки и чистоту обработки поверхности при низкой квалификации работающего.

3. Имеет высокую стойкость как между отдельными переточкам, так и суммарную, благодаря чему одна протяжка может обрабатывать большое количество деталей.

4. Экономичный инструмент, то есть стоимость протяжки, входящая в состав стоимости детали относительно небольшая (для серийного и массового производства).

Протяжки работают по одной из трех основных схем резания:

профильной, генераторной или прогрессивной.

При профильной схеме все режущие кромки и их участки каждого последующего режущего зуба имеют равное превышение над режущими кромками предыдущего зуба и в результате осуществляют последовательное снятие припуска под протягивание по всему контуру режущего зуба. Окончательное формирование профиля обработанной поверхности выполнят последний режущий зуб.

При генераторной схеме резания некоторая часть режущих кромок или их участков каждого последующего зуба имеет превышение над режущими кромками предыдущего зуба и осуществляет последовательное снятие припуска под протягивание, другая же часть режущих кромок и их участков не имеет превышения и, наряду со снятием припуска под протягивание, выполняет последовательное формирование соответствующих участков профиля обработанной поверхности.

При прогрессивной схеме резания все режущие зубья разделены на группы, в которых каждая последующая группа зубьев за счет превышения над зубьями предыдущей группы снимает свой припуск под протягивание; припуск, приходящийся на каждую группу зубьев, снимается всеми ее зубьями. Окончательное формирование профиля обрабатываемой поверхности выполняет последняя группа режущих зубьев протяжки.

Пути совершенствования конструкции протяжек

1. Оснащение режущей части инструментальным материалом, обладающими повышенными режущими свойствами.

2. Усовершенствование геометрических параметров режущей и калибрующей частей протяжки.

3. Использование более рациональных схем резания.

4. Создание нормальных условий стружкообразования и размещения стружки в межзубой канавке протяжки.

5. Создание комбинированных протяжек, включающих в себя черновую и чистовую обработку поверхностей за один проход.

Конструктивные элементы протяжки

для внутреннего протягивания

1. Форма и размеры хвостовой части.

2. Диаметр и длина шейки.

3. Длина переходного конуса.

4. Диаметр и длина направляющей части.

5. Режущая часть:

• расположение, форма и размеры режущих кромок зубьев;

• подъем на зуб S_z;

• шаг зубьев t;

• форма и размеры стружечных канавок;

• передний и задний углы;

• форма и расположение стружкоразделительных канавок;

• число зубьев;

• длина режущей части.

6. Калибрующая часть включает те же элементы, что и режущая часть, за исключением подъема на зуб и стружкоразделительных канавок, которые у калибрующей части отсутствуют. Калибрующая часть может иметь на зубьях направляющую фаску (от 0,02 до 0,2 мм).

7. Форма и размеры концевой части.

8. Форма и размеры центровых отверстий.

9. Общая длина протяжки L_n (рис.109)

,

l₁ – длина хвостовика (хвостовой части);

l₂ – длина шейки;

l₃ – длина переходного конуса;

l₄ – длина направляющей части;

l₅ – длина концевой части;

l₆ – длина цапфы опорной под втулку поддерживающего люнета. Если в процессе изготовления протяжки в качестве технологических баз используют центровые отверстия, то l₆ = 0;

l_р – длина режущей части;

l_к – длина калибрующей части.

Р ис.109Общий вид круглой протяжки

,

l₁ – длина хвостовика (хвостовой части);

l₂ – длина шейки;

l₃ – длина переходного конуса;

l₄ – длина направляющей части;

l₅ – длина концевой части;

l₆ – длина цапфы опорной под втулку поддерживающего люнета. Если в процессе изготовления протяжки в качестве технологических баз используют центровые отверстия, то l₆ = 0;

l_р – длина режущей части;

l_к – длина калибрующей части.

Проектирование протяжки

1. Вначале определяется (назначается) схема резания, затем определяют припуск под протягивание А (см. рис.110), который зависит от принятой схемы резания, размером обработки, профилем обрабатываемой поверхности.

а – протягивание цилиндрического отверстия, профильная схема резания;

б – протягивание квадратного отверстия, генераторная схема резания;

в – протягивание паза типа “ласточкин хвост”, генераторная схема резания;

г – протягивание паза типа “ласточкин хвост”, профильная схема резания.

Например, для цилиндрического отверстия

,

где d – минимальный диаметр обрабатываемого отверстия;

L – длина обрабатываемого отверстия (длина протягивания, ширина заготовки);

δ – допуск на изготовление отверстия.

Для квадратного и шестигранного отверстия припуск А:

,

где – диаметр описанной окружности;

– диаметр вписанной окружности.

Р ис.110. К определению величины припуска

2. Хвостовая часть протяжки (хвостовик) может быть выполненным заодно со всей протяжкой (т.е. из инструментального материала) или быть приваренным, или съемным (сталь 40Х). Съемный хвостовик соединяют с протяжкой при помощи резьбы. Форма хвостовика зависит от конструкции зажимного патрона и типа протяжки.

Диаметр хвостовика делается меньше диаметра обрабатываемого отверстия не меньше, чем на 0,3 мм для свободного входа хвостовика в деталь.

Длина хвостовика l₁ берется в соответствии с размерами патрона приблизительно (2…5)d.

3. Диаметр и длина шейки и переходного конуса.

Шейка и переходной конус соединяют хвостовик с рабочей частью протяжки.

Диаметр шейки берется меньше диаметра хвостовика на 0,3–0,1 мм с гарантированным зазором. Шейка используется для маркировки протяжки.

Длина шейки l₂ выбирается из условия легкого присоединения протяжки, вставленной в деталь, к тяговому патрону станка и может быть определена как

– толщина стола протяжного станка, мм;

– высота выступающей части опорного кольца или планшайбы, мм.

Длина переходного конуса l₃ принимается в зависимости от размеров протяжки l₃ = 10…20 мм.

4. Диаметр и длина направляющей части.

Диаметр направляющей части равен диаметру предварительного отверстия. Направляющая служит для установки обрабатываемой заготовки соосно с протяжкой, благодаря чему срезается равномерный припуск по всем коническим отверстиям.

Длина направляющей части принимается: l₄ = (0,75…1,0)L, но не менее 40 мм.

У наружных протяжек может не быть хвостовика, шейки и направляющей части. Протяжка крепится на стол протяжного станка при помощи винтов или иным способом.

5. Форма и размеры концевой части.

Концевая часть (или задняя направляющая) не допускает перекоса протянутой детали в момент выхода из нее последних зубьев протяжки и тем самым устраняет опасность повреждения обработанной поверхности и поломки калибрующих зубьев протяжки.

Форма задней направляющей чаще всего принимается такой, как и форма протянутого отверстия. Из-за простоты выполнения может быть выполнена круглой формы с диаметром, равным диаметру вписанной окружности, то есть (поперечные) размеры должны соответствовать наименьшему допустимому размеру протянутого отверстия

l₅ = (0,5…0,9) от длины протягивания L.

Длинные и тяжелые протяжки снабжены со стороны концевой части опорной цапфой под втулку поддерживающего люнета.

l₆ = (0,5…0,7) диаметра протяжки, но не менее 20…25 мм.

Наружные протяжки не имеют задней направляющей.

6. Режущая часть предназначена для срезания материала с заготовки и является основной частью протяжки.

Расположение режущих кромок зубьев по длине протяжки, их форма и размеры определяются формой и размерами обрабатываемого отверстия, принятой схемой резания, величиной подъема на зуб S_z.

Для глубоких цилиндрических отверстий применяют расположение зубьев по спирали с шагом, равным трем диаметрам. Длина такой винтовой протяжки приблизительно равна десяти диаметрам обработанного отверстия. Диаметр сердцевины, определяющей глубину стружечной канавки, равен вначале приблизительно 0,65 диаметра, затем уменьшается до 0,4…0,45 диаметра.

Т акже для глубоких отверстий применяют протяжки с увеличенным шагом и ограниченным числом зубьев (до 12), которые все одновременно находятся в работе. Содержат центровые и радиальные каналы для охлаждения.

Рис.111. Угол наклона зубьев

Плоские протяжки выполняют с наклонными зубьями с целью создания равномерности силы протягивания. Величина угла наклона зуба к оси протяжки принимается в пределах 60…75° (см.рис.111). Отверстия нормальной длины, то есть равные двум – трем диаметрам, обрабатываются протяжками с последовательно расположенными зубьями и нормальным шагом между ними.

При профильной и генераторной схемах резания форма и размеры зуба протяжки определяются в основном контуром поперечного сечения снимаемого припуска и величиной подъема на зуб.

При прогрессивной (групповой) схеме резания форма и размеры зубьев зависят также от разделения припуска между зубьями одной группы.

Существует ряд способов разделения припуска между зубьями одной группы (секции) прогрессивной протяжки:

а). При шахматной схеме срезания первый зуб имеет выступы и срезает только часть периметра отверстия. Следующий зуб без подъема имеет непрерывную режущую кромку и срезает оставшиеся участки слоя (при двух зубьях в группе). Если в группе более двух зубьев, то на каждом последующем зубе, кроме последнего, шлицевые выступы смещены относительно выступов предыдущего зуба. То есть увеличение диаметра черновых зубьев происходит от начала протяжки к ее концу, но в пределах каждой черновой секции зубья выполняют одинакового диаметра.

Вариантом такой схемы являются выполнение черновых секций одинакового диаметра и снабжение их режущими шлицевыми выступами, ширина которых постепенно увеличивается, так что последний зуб секции образует полную окружность профиля обрабатываемого отверстия.

б). Способ переменного резания. (Могут иметь название “Протяжки группового резания с выкружками”). Протяжки имеют режущие зубья, работающие секциями по 2…5 зубьев. Диаметры зубьев, входящих в каждую секцию, одинаковы, кроме последнего зуба, который выполнен на 0,03…0,05 мм меньше остальных во избежание снятия этим зубом замкнутой кольцевой стружки. Режущие шлицевые выступы всех зубьев секции, кроме последнего, одинаковы по ширине b и взаимно смещены. Последний зуб является полнопрофильным, то есть без стружкоразделителей ( см.рис. 112).

Рис.112. Профиль зубьев протяжки переменного резания (группа из трех зубьев):

D₁ = D₂; D₃ = D₁ – (0,03…0,05)

Стружкоразделение производится выкружками, которые создают задний угол ₁= 4…6º на вспомогательных участках. Радиус r и глубина выкружек выбирается таким образом, чтобы угол между главной 1 и вспомогательной 2 режущими кромками ψ = 140…160º, что делает зуб более прочным и улучшается теплоотвод от уголков режущих зубьев.

Подъем на зуб S_z или толщина среза а зависит, в основном, от свойств обрабатываемого материала, конструкции протяжек и жесткости детали. Выбирается в пределах 0,015…0,2 мм (у групповой схемы резания S_z до 0,35 мм); при обработке чугуна возможна величина S_z = 0,5…1,5мм.

По длине режущей части подъем на зуб обычно принимается постоянным, за исключением нескольких последних (от 2 до 5). Эти зубья называются переходными и обеспечивают получение чистоты поверхности и равномерности падения силы резания, действующей на протяжку. На последнем переходном зубе подъем на зуб принимается 0,015…0,02 мм. У протяжек с резким изменением ширины стружки, снимаемой отдельными зубьями, например, квадратных, применяют неравномерный подъем на зуб, увеличивая его на зубьях с меньшей шириной стружки.

Шаг зубьев t определяется как расстояние между соседними вершинами зубьев, измеренное вдоль оси протяжки. Стремятся к тому, чтобы шаг зубьев был как можно меньше – это уменьшает длину протяжки, и следовательно, увеличивает производительность. Однако, малые величины шагов могут привести к тому, что размеры впадины будут недостаточными для размещения срезанной стружки.

,

где L – длина протягиваемого отверстия, м;

m – коэффициент, учитывающий схему резания;

m = 1,5…1,75 – для профильной и одинарной схем резания;

m = 1,5…2,0 – для прогрессивной схемы резания.

Полученное значение t округляется до ближайшего большего, кратного 0,5 мм.

Проверяют количество одновременно работающих зубьев по формуле: .

Если получено дробное число, то целая часть – это минимальное количество одновременно работающих зубьев (z_min); максимальное количество зубьев z_maz = z_min +1. Для равномерной работы протяжки необходимо условие: .

Стружечная канавка служит для образования передней поверхности зуба протяжки и для размещения срезаемой стружки. Размеры стружечной канавки зависят от:

• длины протягиваемой поверхности;

• подъема на зуб;

• диаметра протяжки.

На практике находят применение три формы стружечных канавок (см.рис. 113). На рисунке принятые обозначения:

t – шаг зуба;

с – ширина задней поверхности;

γ – передний угол;

α – задний угол;

R – радиус спинки зуба (у протяжек с криволинейной вогнутой спинкой);

r – радиус переходной дуги между передней поверхностью и спинкой зуба – радиус дна канавки;

h – глубина стружечной канавки (высота зуба);

η – угол спинки зуба (у протяжек с прямолинейной спинкой).

а б в

Рис.113. Формы зуба и стружечной канавки

а) Такая форма – вогнутая форма спинки зуба – применяется при малой глубине стружечной канавки и обработки вязкой стали.

б) Применяется при обработке хрупких материалов.

в) Для протяжек с удлиненным участком дна, обрабатывающих длинные отверстия.

Ориентировочные зависимости параметров в зависимости от шага зубьев t:

h = (0,45…0,38)t;

R = (0,65…0,7)t;

c = (0,35…0,3)t;

r = 0,5h(≈0,2t);

η = 50°.

Стружечные канавки необходимо проверять на заполнение их объема стружкой, для чего определяют коэффициент заполнения канавки К:

,

где (S_z) – толщина срезаемого слоя;

L – длина протягивания.

Должно быть выдержано условие:

,

где (равен 2…4,5) определяется в зависимости от: схемы резания; свойств обрабатываемого материала; подъема на зуб; шага зубьев.

У прогрессивных протяжек следует уменьшать на ~ 25% по сравнению с профильными при прочих равных условиях.

Передний угол γ выбирается в зависимости от обрабатываемого материала и в общем случае равен 3…25°. Некоторые рекомендации по выбору переднего угла γ: сталь – 12…18°; чугун – 4…10°; бронза – 0…5°; алюминий и его сплавы – 20…25°; титановые сплавы – 10°.

Задний угол α = 3° – для внутренних протяжек; α = 3…4° – для наружных протяжек.

Малые значения назначают потому, что при увеличенных углах α при переточке протяжки быстро теряют рабочие размеры по передней поверхности, так как перетачивание производится по передней поверхности.

Стружкоразделительные канавки шлифуют в шахматном порядке на режущих зубьях протяжки с целью облегчения деформирования срезаемого металла и удаления стружки (рис.114).

Рис.114. Стружкоразделительные канавки:

а – для внутренних протяжек;

б – для наружных протяжек

Ширина канавок – b_к = 0,6…1,5 мм; шаг канавки t_к = 6…8 мм; глубина – h_к = 0,4…1мм.

Последний переходный зуб рекомендуется выполнять без канавок.

Число режущих зубьев определяется по формуле:

– для протяжек, у которых режущие кромки расположены симметрично (цилиндрические, квадратные, шлицевые и др.);

– с односторонним расположением зубьев (шпоночные),

где:

и – поперечные размеры последнего режущего зуба;

и – поперечные размеры первого режущего зуба;

– толщина срезаемого слоя (S_z).

Длина режущей части l_р:

– для профильных и генераторных протяжек;

– для прогрессивных протяжек,

где t – шаг зубьев;

z_p – число режущих зубьев;

t_ч – шаг зубьев черновой секции;

z_cN – шаг зубьев в черновых секциях;

z_n – число зубьев в переходной секции;

t_n – шаг зубьев в переходных секциях.

– для протяжек с наклонными зубьями,

где – угол наклона зубьев к оси протяжки (см.рис.111);

В – ширина протяжки.

7. Калибрующая часть.

Диаметр калибрующей части определяется по формуле:

,

где – наибольший допустимый размер обработанной поверхности;

– деформация обработанной поверхности (разбивка или усадка). Определяется опытным путем: если предвидится разбивка, то берется знак “–”, если усадка, то “+”. При обработке толстостенных деталей чаще наблюдается разбивка, тонкостенных – усадка.

Ориентировочно можно принять:

• для протяжек длиною 700 – 800 мм: = 0,015…0,01 мм;

• для протяжек с большею длиною: = 0,01…0,015 мм.

Стружечные канавки калибрующей части имеют также размеры, что у режущей части.

На вершинах калибрующих зубьев выполняют цилиндрические ленточки, увеличивающиеся по длине от первого зуба к последнему от 0,2 до 1,0 мм. Для обработки вязких материалов – ленточку выполнять не более 0,2 мм и постоянной на всех калибрующих зубьях.

Передний угол γ назначают как и режущих зубьев.

Задний угол выполняется несколько меньшим: α = 0,5…1° для повышения размерной стойкости протяжки.

Для жаропрочных титановых сплавов: α = 2…3°.

Число калибрующих зубьев выбирается в зависимости от типа протяжки, требуемой чистоты обрабатываемой поверхности и может быть от 2 до 8.

Шаг калибрующих зубьев можно выбрать меньше шага режущих зубьев на 30…40% , но не меньше 4 мм.

Длина калибрующей части определяется по формуле: ,

где – шаг калибрующих зубьев;

– число калибрующих зубьев.

Зубья калибрующей части не имеют подъема на зуб и стружкоразделительных канавок.

8. Общая длина протяжки должна удовлетворять следующим требованиям:

• она не должна превышать наибольшей длины хода протяжного стола;

• чрезмерно длинная протяжка может привести к значительным деформациям при термической обработке и оказаться настолько нежесткой, что ее обработка на станках будет крайне затруднена или даже невозможна, поэтому протяжка данного диаметра не должна превышать определенную длину. Допускается превышение общей длины протяжки L_n над габаритным размером протяжки (диаметром, шириной или высотой) в 30…55 раз.

Длина прошивки берется в зависимости от диаметра прошивки и не должна превышать 10d, где d – номинальный диаметр прошивки.

Если длина протяжки при конструировании получается чрезмерной и не представляется возможным уменьшить ее, то вместо одной протяжки необходимо применить комплект протяжек из двух, трех и более штук. Расчет протяжек, работающих комплектом, в принципе производится также, как и некомплектной протяжки. Длина рабочей (зубчатой) части (l_p + l_к) распределяется поровну между отдельными протяжками комплекта. Все протяжки комплекта, кроме последней, должны заканчиваться двумя зубьями одинакового размера без фаски. Первый зуб каждой протяжки, кроме первой, должен иметь размер, равный размеру последних зубьев предыдущей протяжки. Последняя протяжка заканчивается калибрующими зубьями. В каждую протяжку комплекта входят длины гладких частей, то есть .

Биение на концевой части и калибрующих зубьях не должно быть более величины допуска на их диаметры. Допускаемая величина биения на средних зубьях, обрабатываемых в центрах, равна 0,03…0,07 мм.

Материал рабочей части протяжки ВК6, ВК3М, ВК8, Р9Ф5, ВК6М, Р12, 9Х5ВФ, ХВСГ.

Сила резания и расчет протяжки на прочность.

Сила резания при протягивании зависит от большого количества факторов:

• от свойств обрабатываемого материала;

• толщины и ширины срезаемого слоя;

• геометрических параметров режущей части протяжки;

• степени затупления зубьев;

• свойств СОЖ и так далее.

В расчетах учитывается сила P_z – тангенциальная составляющая силы резания, направленная вдоль оси протяжки (вдоль движения резания): ,

где р – удельная сила резания. Определяется по эмпирическим зависимости

р = f(S_z) – от величины подъема на зуб S_z.

f – площадь слоя, срезаемого одним зубом протяжки.

f = b· S_z мм²;

b – ширина срезаемого слоя, т.е. суммарная длина режущей кромки одного зуба;

S_z – подъем на зуб в мм;

z_max – максимальное число зубьев протяжки, находящихся в контакте с обрабатываемой деталью.

Условие прочности на разрыв имеет вид:

,

где σ – напряжение растяжения;

Р_max – наибольшая величина силы резания;

F_min – площадь наименьшего поперечного сечения протяжки в мм², принимается или по шейке, или по хвостовику, или по первой стружечной канавке.

[σ] – допустимое напряжение растяжения, кг/мм². [σ] принимается по следующим рекомендациям:

• для протяжек с кольцевыми стружечными канавками (цилиндрическими, шлицевыми, квадратными); [σ] = 30…40 кг/мм²;

• для протяжки одностороннего действия (шпоночных, плоских и других); [σ] = 15…20 кг/мм²;

• протяжки малого диаметра d = 6…8 мм: [σ] = 55…60 кг/мм² (из-за хорошей прокаливаемости).