способ обработки отверстий больших диаметров в длинномерных цилиндрических изделиях

Формула изобретения

1. Способ обработки отверстий больших диаметров в длинномерных цилиндрических изделиях, включающий установку и закрепление изделия в станке с последующими обработкой отверстия инструментальной головкой, закрепленной на конце стебля, при относительных вращении и осевой подаче изделия и инструмента и отводом стружки из зоны обработки, отличающийся тем, что после установки изделия в обрабатываемое отверстие заводят направляющую штангу, которую центрируют и фиксируют, и перед обработкой к ней прикладывают в осевом направлении усилие растяжения, которое поддерживают в течение всего процесса обработки отверстия, при этом обработку отверстия осуществляют при вращении изделия и осевом перемещении стебля с инструментальной головкой по посадке скольжения по принудительно растянутой направляющей штанге.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обработки отверстия используют направляющую штангу, выполненную за единое целое.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обработки отверстия используют направляющую штангу, выполненную разъемной.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку отверстия осуществляют растачиванием.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку отверстия осуществляют хонингованием.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку отверстия осуществляют раскатыванием.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области механической обработки и может быть использовано на токарно-винторезных станках с удлиненной станиной для получения точных отверстий больших (свыше 80-100 мм) диаметров в длинномерных (более 2000 мм) цилиндрических заготовках, например в цилиндрах гидрозатворов.

Известен широко применяемый на производстве способ обработки указанных отверстий, описанный в "Справочнике технолога-машиностроителя" под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - М.: Машиностроение, 1973, с 249. Способ заключается в последовательном, с двух сторон, растачивании детали с ее переворотом на горизонтально-расточном станке оправкой без дополнительной опоры шпинделя. При этом длина L растачивания с каждой стороны не должна превышать 5d, где d - диаметр растачиваемого отверстия. При увеличении длины растачивания L>5d используют растачивание борштангами с опорами в шпинделе и люнетной втулке задней опоры или в двух люнетных втулках, расположенных впереди и сзади обрабатываемой детали. В последнем случае за счет шарнирного соединения борштанги со шпинделем исключается влияние неточности станков на точность обработки. Прямолинейность оси растачиваемого отверстия обеспечивается соосностью люнетных втулок и прямолинейностью борштанги.

Известны также способы глубокого растачивания на сжатие и на растяжение, описанные в книге "Обработка глубоких отверстий" под ред. Н.Ф.Уткина, Л. "Машиностроение", 1988, с.28. При осуществлении этих способов заготовка вращается, а инструмент имеет поступательное движение, при этом осевая составляющая силы резания Р_х создает в стебле в зависимости от схемы растачивания напряжения сжатия или растяжения.

Однако ряд недостатков не всегда позволяет эффективно использовать описанные технологические решения при растачивании отверстий в длинномерных деталях. В частности, при увеличении длины обрабатываемого отверстия до 4000 мм и более в большей степени проявляется влияние таких дестабилизирующих факторов, как продольная неустойчивость(нежесткость) стебля, ошибка в направлении инструмента, несовершенство его конструкции, нерациональная технология и т.д., которые, резко увеличивая величину увода оси отверстия, практически исключают возможности его обработки такими способами. Необходимо максимально исключить эти факторы или учитывать их влияние преднамеренным изменением положения оси обрабатываемого отверстия в процессе растачивания по определенному заранее заданному закону, т.е. производить управляемое глубокое растачивание.

Так, известны способы обработки глубоких отверстий на горизонтально-расточных станках с осуществлением активного контроля за положением режущего инструмента в функции отклонения оси растачиваемого отверстия от оси вращения шпинделя станка и компенсации его в процессе обработки (см. "Прогрессивная технология обработки глубоких отверстий". Сб. докладов под редакцией Н.Ф.Уткина, М., 1978, с.185-187). Для осуществления контроля за положением инструмента предложено оборудовать станки адаптивными системами управления (АСУ), в частности, содержащими в качестве чувствительных элементов различные датчики, связанные с исполнительными механизмами, например, электрогидравлические, а также с многопараметровыми следящими системами с N входами.

Недостатками известных способов обработки глубоких отверстий на горизонтально-расточных станках являются:

- осуществление контроля за положением инструмента с помощью АСУ не гарантирует стабильности увода оси в определенных границах, что не позволяет их использовать при растачивании отверстий с узким полем допуска, т.е. точных, например по 2-му классу, отверстий;

- создание многопараметровой следящей системы практически невозможно из-за отсутствия достаточной информации о влиянии отдельных дестабилизирующих факторов на точность обработки;

- сложность и сравнительная дороговизна отслеживающих систем;

- отсутствие таких систем в просмотренных источниках для рассматриваемых в настоящей заявке глубоких отверстий больших диаметров.

Известен способ растачивания центрального отверстия в роторах турбин инструментом с механизмом коррекции на основе эксцентрикового элемента с шаговым приводом, описанный в кн. "Новый высокоэффективный режущий инструмент и оснастка-средство интенсификации машиностроительного производства", Л., ЛДНТП, 1989, с.8. При достижении заданного допустимого смещения оси отверстия по команде от блока управления включается привод вращения эксцентрикового элемента, за счет которого создаются колебания корректирующего резца на частоте вращения детали в противофазе с биениями смещенного отверстия. В результате разносъема металла корректирующим резцом осуществляется принудительное циклическое смещение оси отверстия до ее совпадения с геометрической осью детали, после чего механизм коррекции отключается.

Однако используемая в известном способе расточная головка, работающая в среде смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) и большого объема стружки, быстро выйдет из строя, что делает способ неработоспособным.

Известен также способ обработки, в частности растачивания на горизонтальных одношпиндельных глубокосверлильных станках, описанный в книге "Обработка глубоких отверстий" под ред. Н.Ф.Уткина, Л.: Машиностроение, 1988, с.91. Для осуществления известного способа используют токарный станок, в патроне шпинделя которого закрепляют и вращают заготовку. Правый конец заготовки базируется в маслоприемнике, а средняя часть опирается на промежуточные люнеты. Инструмент, закрепленный в инструментальной бабке, в начале обработки направляется кондукторной втулкой маслоприемника. По мере подачи инструмента образующаяся стружка из зоны резания поступает через инструментальный стебель в стружкоприемник. Подвод СОЖ в зону резания - наружный, через маслоприемник.

К недостаткам известного способа относятся характерные дефекты отверстий, появляющиеся при глубоком сверлении или растачивании, основными из которых являются:

- увод и непрямолинейность оси;

- огранка;

- надиры, царапины, повышенная шероховатость.

К основным причинам, вызывающим увод, относятся:

- копирование инструментом погрешности расположения оси отверстия, имеющейся в месте контакта направляющих с поверхностью расточенного отверстия;

- изгиб стебля из-за поперечных колебаний инструмента с частотой вращения заготовки, возникающих вследствие базирования инструмента на поверхность отверстия, имеющего радиальное биение, и из-за разнообрабатываемости материала по сечению заготовки, а также неравномерности снимаемого припуска;

- поперечные колебания заготовки из-за ее деформации при установке и обработке;

- изгиб оправки под действием силы ее веса.

Увод может ослабляться или усиливаться в зависимости от конкретных условий обработки, а именно от:

- построения технологического процесса;

- длины обработки;

- изгибной жесткости стебля;

- погрешности заточки и установки режущих лезвий по оси и других.

Огранка образуется лишь при поперечных колебаниях инструмента с частотой, близкой к частоте относительного вращения заготовки. При этом на образование огранки влияют частота собственных колебаний инструмента, которая, в свою очередь, изменяется по мере обработки отверстия, так как изменяется схема закрепления инструмента (изменяется взаимное расположение опор по длине инструмента); конструктивные параметры инструмента; погрешности настройки технологической системы на операцию; кинематическая схема обработки (вращается или не вращается инструмент) и другие.

Надиры, царапины часто возникают вследствие попадания стружки под направляющие элементы, а также при разрыве пленки СОЖ под направляющими.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту, т.е. прототипом, является способ растачивания отверстий, осуществляемый на расточном станке, описанном в авт. св. СССР № 1748967, МПК ⁵ В 23 В 41/00, 1989 г. Согласно описанию обрабатываемое изделие устанавливают и зажимают на столе станка. Затем производят растачивание отверстия, при этом деталь имеет поступательное перемещение вместе со столом, а инструментальная головка, закрепленная на конце стебля, вращается. Для повышения жесткости и тем самым точности обработки к инструментальному стеблю в процессе растачивания прикладывают усилие сжатия. Образующуюся в процессе обработки отверстия стружку отводят.

Однако известный способ-прототип предназначен, как правило, для обработки отверстий в изделиях, длина которых меньше или равна пяти его диаметрам, и не может быть использован для растачивания длинномерных деталей по следующим причинам. Так, увеличение жесткости борштанги за счет приложения к ней сил сжатия при обработке длинномерных отверстий может привести к продольному изгибу борштанги и нарушению точности обрабатываемого отверстия. Кроме того, при растачивании длинной детали сжимающий борштангу шток может терять продольную устойчивость, при этом сжимающее давление на борштангу будет направлено под углом к ее оси, что практически исключит возможность обработки таких изделий. В используемой в известном способе схемы обработки: инструмент вращается, а деталь имеет поступательное движение, - вращающийся инструмент является источником дополнительных погрешностей, в частности, создаются более благоприятные условия для образования огранки.

При создании настоящего изобретения ставилась задача - исключение или минимизация вышеперечисленных недостатков, а именно: расширение технологических возможностей способа обработки отверстия за счет увеличения его диаметра и длины, а также повышение качества обработки путем достижения требуемой точности и шероховатости поверхности отверстия.

Поставленная задача достигается тем, что в способе обработки отверстий больших диаметров в длинномерных цилиндрических изделиях, включающем установку и закрепление изделия в станке с последующими обработкой отверстия инструментальной головкой, закрепленной на конце стебля, при относительных вращении и осевой подаче изделия и инструмента и отводом стружки из зоны обработки, согласно заявляемому изобретению после установки изделия в обрабатываемое отверстие заводят направляющую штангу, которую центрируют и фиксируют, и перед обработкой к ней прикладывают в осевом направлении усилие растяжения, которое поддерживают в течение всего процесса обработки отверстия, при этом обработку отверстия осуществляют при вращении изделия и осевом перемещении стебля с инструментальной головкой по посадке скольжения по принудительно растянутой направляющей штанге.

Другие отличия предлагаемого изобретения заключаются в том, что для обработки отверстия используют направляющую штангу, выполненную либо за единое целое, либо разъемной, состоящей из двух частей.

Кроме того, отличиями заявляемого способа является в том, что обработку отверстия осуществляют либо растачиванием, либо хонингованием, либо раскатыванием.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием новых действий, последовательностью и условиями их выполнения.

Поиск, проведенный по Санкт-Петербургскому территориальному патентному фонду, показал, что в настоящее время не известен способ обработки отверстий больших диаметров в длинномерных цилиндрических изделиях, обладающий такой же совокупностью существенных признаков, что и предлагаемый. Это позволяет сделать вывод, что заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

При изучении уровня техники, известного в данной области, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

Использование для обработки (растачивания, хонингования, раскатывания) отверстия направляющей штанги, пропущенной сквозь заготовку и инструментальный стебель и находящейся под действием напряжения растяжения, позволяет сохранять строго прямолинейное движение охватывающего стебля с инструментальной головкой во все время обработки отверстия, существенно уменьшая погрешности расположения его оси по длине изделия; снизить поперечные колебания инструмента и заготовки, исключить изгиб стебля под действием силы веса. Эти факторы при правильных построении технологического процесса, заточке и установке режущего инструмента позволят существенно снизить увод и непрямолинейность оси растачиваемого отверстия. Эти же факторы уменьшают частоту собственных колебаний инструмента и сохраняют ее по всей длине обрабатываемого отверстия, что снижает или полностью исключает образование огранки. Использование в заявляемом способе обработки инструмента с определенностью базирования по обработанному отверстию позволяет устанавливать режущую кромку резца и направляющие под углом к горизонту, что уменьшит попадание стружки под направляющие и, как следствие, улучшит чистоту поверхности. Если длина станины станка позволяет размещать двойную длину заготовки и стебель с инструментальной головкой, то направляющая штанга может быть цельной и после окончания обработки выводится вправо из обрабатываемой детали, обеспечивая ее съем со станка, в противном случае направляющую штангу выполняют разъемной.

Вышеизложенное доказывает, что заявляемое техническое решение может быть широко использовано в технике для обработки глубоких отверстий больших диаметров и длины с обеспечением высокого качества поверхности, в частности для растачивания отверстий диаметром 80-100 мм и более в длинномерных (более 2000 мм) цилиндрических заготовках, т.е. оно соответствует критерию изобретения "промышленная применимость".

Предлагаемый способ обработки схематически поясняется чертежом, где на фиг.1-4 представлены части единой схемы предназначенного для его осуществления станка.

Рассмотрим осуществление способа на конкретном примере, когда обработку отверстия производят растачиванием на токарно-винторезном станке. Этот пример не ограничивает всех возможностей заявляемого способа.

Станок для осуществления способа содержит станину 1, установленные на ней поддерживающие люнеты 2 и суппорт 3 с закрепленным на нем стеблем 4 и расточной головкой 5. Через шпиндель передней бабки 6 станка, расточную головку 5 и стебель 4 проходит разъемная направляющая цилиндрическая штанга 7, имеющая правую 8 и левую 9 части. Левую 9 часть штанги 7 центрируют втулками 10, 11, закрепленными на передней бабке соосно с осью шпинделя станка, и поддерживающими стойками 12. На нижней части штанги 7 нарезаны зубья, образующие зубчатую рейку 13. За счет зубчатой передачи 14 штанга 7 имеет возможность горизонтального перемещения: механического - от редуктора 15 и ручного - от штурвала 16. Это перемещение ограничено конечным выключателем 17 влево и отводным конечным выключателем 18 - вправо. В правом конечном положении (рабочем) левую 9 часть штанги 7 фиксируют специальным фиксатором 19, который выдвигается от гидроцилиндра 20. Фиксатор ограничивает как горизонтальное перемещение штанги 7, так и предохраняет от ее разворота при свинчивании и развинчивании с правой 8 частью. Зубчатое зацепление 14 штанга - шестерня редуктора фиксируют шпонкой, скользящей по продольному пазу 21 штанги при ее перемещении.

Правую 8 часть штанги 7 центрируют механизмом крепления 22 на суппорте станка и поддерживающей стойкой 23. Эта часть штанги поворачивается от штурвала 24, при этом происходит свинчивание обеих частей штанги 7. Место разъема на фиг.2 обозначено цифрой 25. Свинчивание производят с помощью двухзаходной прямоугольной резьбы, длину которой рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить прочность штанги при ее растяжении. Растяжение штанги 7 производят от гидроцилиндра 26, размещенного на стойке 27 (фиг.4). По всей длине на корпусе стебля в горизонтальной плоскости выполнены пазы 28, по которым перемещаются захваты 29 поддерживающей стебель стойки 30 при рабочем движении суппорта. На корпусе стебля 4 выфрезерован паз для размещения трубки 31 подвода охлаждения и вымывания стружки из зоны резания. Стебель 4 с расточной головкой 5 перемещают вкладышами 32 по направляющей штанге 7 по посадке скольжения.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

В исходном состоянии напряжение растяжения с направляющей штанги 7 снято и она развинчена штурвалом 24. Левую 9 часть штанги с помощью редуктора 15 отводят в крайнее левое положение до упора в конечный выключатель 17.

На люнеты 2 станка устанавливают и закрепляют в патроне 33 обрабатываемую деталь 34 из стали 45 длиной 2000 мм, имеющую отверстие диаметром 120 мм. Заводят левую 9 часть штанги 7 в отверстие детали до упора в отводной конечный выключатель 18, при этом ее вылет за торец детали составит не менее 100-150 мм. Подводят правую 8 часть штанги и вручную штурвалом 24 шток гидроцилиндра 26 и обе части штанги соединяют в единое целое. В гидроцилиндре 26 включают давление, тем самым обеспечивают ее растяжение с прилагаемым усилием 22-25 кгс/мм², при этом штанга 7 становится внутренней направляющей для обеспечения процесса резания. Резец расточной головки окончательно настраивают на необходимый размер. Суппортом станка расточную головку подводят к торцу обрабатываемой детали, при этом конечный выключатель 18 отводится. Включают вращение детали, подачу СОЖ и инструмента и производят растачивание отверстия. По окончании обработки суппорт отводят в исходное положение.

Далее заменяют черновую расточную головку на чистовую или устанавливают другой обрабатывающий инструмент согласно техпроцессу и повторяют цикл обработки. После окончания чистовой обработки гидроцилиндром 26 снимают с направляющей штанги 7 напряжение растяжения. Штурвалом 24 развинчивают левую и правую части штанги, отводят левую часть в исходное положение и снимают деталь.

При осуществлении заявляемого способа обработка отверстия может быть произведена хонингованием или раскатыванием.

При определенной длине станины станка, позволяющей размещать двойную длину заготовки и стебель с инструментальной головкой и осуществлять полный вывод штанги из отверстия обрабатываемой детали, штанга 7 может быть неразъемной.