Общие сведения. Протяжки – это многозубые высокопроизводительные инструменты, нашедшие широкое применение в серийном и особенно в массовом производствах

Протяжки – это многозубые высокопроизводительные инструменты, нашедшие широкое применение в серийном и особенно в массовом производствах. Они относятся к инструментам с конструктивной подачей, так как при протягивании движение подачи отсутствует. Срезание припуска при протягивании осуществляется за счет превышения по высоте или ширине каждого последующего зуба относительно предыдущего. При этом превышение по высоте, определяющее толщину срезаемого слоя a_z (), называется подъемом или подачей на зуб. Деление припуска по ширине осуществляется с целью облегчения процесса резания.

Рис. 2.1. Схемы обработки отверстия протяжкой (а) и прошивкой (б)

Главное движение протяжки, обеспечивающее процесс резания, чаще всего прямолинейное, поступательное. Реже встречаются протяжки с вращательным или винтовым главным движением.

Процесс протягивания осуществляется на специальных горизонтальных или вертикальных протяжных станках.

Круглые отверстия обрабатывают протяжками (рис. 2.1, а) и прошивками (рис. 2.1, б). Причем протяжки работают на растяжение, а прошивки – на сжатие. Поэтому в последнем случае для обеспечения продольной устойчивости прошивок их длина не должна превышать 15 диаметров. По конструкции прошивки подобны протяжкам.

Протяжки находят широкое применение благодаря следующим достоинствам:

1) высокая производительность, так как в процессе резания снимается припуск одновременно несколькими зубьями. При этом активная длина режущих кромок очень большая, хотя скорость резания невелика (6…12 м/мин). Так, например, при протягивании отверстия диаметром 30 мм одновременно пятью зубьями ширина срезаемого слоя составляет около 470 мм. В целом производительность при протягивании в 3…12 раз выше, чем при других видах обработки;

2) высокая точность (IT 7… IT 8) и низкая шероховатость (Ra 0,32…2,5 мкм) обработанных поверхностей благодаря наличию черновых, чистовых и калибрующих зубьев, а в некоторых конструкциях протяжек еще и выглаживающих зубьев. Протягивание заменяет фрезерование, строгание, зенкерование, развертывание, а иногда и шлифование;

3) высокая стойкость инструмента, исчисляемая несколькими тысячами деталей. Это достигается благодаря оптимальным условиям резания и большим запасам на переточку;

4) простота конструкции станков, так как при протягивании отсутствует движение подачи, поэтому станки не имеют коробок подач, а главное движение осуществляется с помощью силовых гидроцилиндров.

К недостаткам протяжек можно отнести:

1) высокие трудоемкость и стоимость инструмента из-за сложности конструкций протяжек и высоких требований к точности их изготовления;

2) протяжки – это специальные инструменты, предназначенные для изготовления деталей только одного типоразмера;

3) высокие затраты на переточку, обусловленные сложностью конструкций этих инструментов.

Поэтому экономическая эффективность применения протяжек достигается лишь в массовом и серийном производствах. Однако даже на предприятиях с единичным и мелкосерийным производствами протяжки могут дать значительный экономический эффект при обработке сложных фасонных отверстий, если формы обрабатываемых поверхностей и их размеры имеют узкие допуски. Например, при протягивании многошлицевых отверстий экономически оправдано применение протяжек даже при партии 50 деталей в год, а круглых отверстий – не менее 200 деталей.

При проектировании протяжек необходимо иметь в виду следующие особенности их работы:

1) протяжки испытывают очень большие растягивающие нагрузки, поэтому внутренние протяжки обязательно проверяют на прочность по наиболее слабым сечениям;

2) срезаемая при протягивании стружка должна свободно размещаться в стружечных канавках в течение всего времени нахождения режущих зубьев в контакте с заготовкой и свободно выходить из канавки после прекращения процесса резания. Поэтому вопросы размещения и разделения стружки по ширине требуют большого внимания. Так, например, при протягивании круглых отверстий не допускаются кольцевые стружки, потому что для освобождения от них протяжек потребовались бы большие затраты времени;

3) длина протяжек должна соответствовать рабочему ходу протяжного станка, а также возможностям оборудования для их термической и механической обработки. При этом протяжки должны иметь достаточную жесткость при изготовлении и эксплуатации, поэтому при протягивании иногда используют люнеты и другие приспособления.

 

 

 

Рис. 2.2. Конструктивные элементы протяжки для обработки отверстий:
1 – хвостовик; 2 – шейка; 3 – передняя направляющая; 4 – режущая часть;
5 – калибрующая часть; 6 – задняя направляющая; 7 – задний хвостовик

 

Из всех разновидностей внутренних протяжек наибольшее применение (до 60 %) нашли протяжки для обработки круглых отверстий. Последние состоят из следующих основных частей: хвостовика, шейки, передней и задней направляющих, режущей и калибрующей частей, заднего хвостовика (рис.2.2).

Хвостовик служит для присоединения протяжки к патрону станка. Основные типы и размеры хвостовиков стандартизированы (ГОСТ 4044–70). При этом диаметр хвостовика должен быть меньше диаметра отверстия под протягивание на 1…2 мм.

Шейка и следующий за ней переходный конус выполняют вспомогательную роль. Их длина должна обеспечивать возможность присоединения протяжки к патрону перед началом протягивания. Переходный конус обеспечивает свободное вхождение передней направляющей в протягиваемое отверстие. Диаметр шейки берется меньше диаметра хвостовика на 0,3…1,0 мм.

Передняя направляющая служит для центрирования оси заготовки относительно оси протяжки перед протягиванием, чтобы исключить перекос заготовки, который может привести к поломке протяжки или порче обработанной поверхности. Длина передней направляющей должна быть равна длине L ₀ протягиваемого отверстия, а при больших длинах – не менее 0,6 L ₀. Форма передней направляющей должна соответствовать форме отверстия в заготовке, а допуск на диаметр направляющей берется по е 8.

Задняя направляющая выполняет ту же роль, что и передняя, предохраняя протяжку от перекоса при выходе ее калибрующей части из обработанного отверстия. По длине она несколько меньше длины передней направляющей, а ее диаметр выполняется точнее, с допуском по f 7. Форма задней направляющей должна быть такой же, как у протянутого отверстия.

Для автоматического возврата протяжки в исходное положение после протягивания, особенно при больших длине и диаметре протяжки, после задней направляющей иногда предусматривается задний хвостовик, закрепляемый в патроне каретки станка. По форме он подобен переднему хвостовику. Наличие этого хвостовика также предохраняет протяжку от провисания и перекоса в отверстии и позволяет избежать искажения формы и размера обработанного отверстия.

Режущая (рабочая) часть протяжки служит для удаления припуска и формирования поверхности протянутого отверстия. Она содержит черновые и чистовые, а при групповой схеме резания еще и переходные зубья, располагаемые на ступенчато-конической поверхности. Длина режущей части равна произведению числа зубьев на их шаг, который, в свою очередь, зависит от требований к точности протягиваемого отверстия, шероховатости его поверхности и величины снимаемого припуска. Диаметры зубьев рассчитывают исходя из принятой схемы резания.

Калибрующая часть содержит 4…10 зубьев одинакового диаметра, равного диаметру последнего чистового зуба, и служит для калибровки отверстия, уменьшения рассеивания его размеров, а также является запасом на переточку: по мере износа чистовых зубьев калибрующие зубья заточкой могут быть переведены в чистовые. Тем самым увеличивается общий срок службы протяжки.

Калибрующие зубья припуск не срезают, а удаляют микронеровности поверхности, остающиеся после прохода чистовых зубьев, и обеспечивают направление протяжки в отверстии.

Конструкция режущей части протяжки определяется принятой схемой резания, под которой понимают принятую последовательность срезания припуска.

Различают следующие схемы резания: а) по способу деления припуска по толщине и ширине – одинарная и групповая; б) по способу формирования обработанной поверхности – профильная, генераторная и комбинированная.

Одинарная схема резания характерна тем, что каждый зуб протяжки срезает припуск определенной толщины по всему периметру обрабатываемого отверстия за счет того, что диаметр каждого последующего зуба больше диаметра предыдущего на величину 2 a_z, где a_z () – подъем или подача на зуб.

Так как кольцевая стружка недопустима, то для деления стружки по ширине на режущих кромках необходимо делать стружкоделительные канавки V-образной формы (рис. 2.3, а), которые располагают в шахматном порядке при переходе от одного зуба к другому. Снимаемые каждым зубом стружки получаются в виде отдельных частей с ребром жесткости толщиной 2 а_z за счет того, что на участке канавки предыдущего зуба стружка не снимается. Ребро жесткости ухудшает свертываемость стружки в канавках между зубьями, из-за чего приходится значительно снижать величину подачи на зуб. Это приводит к нежелательному увеличению длины протяжки.

При большей толщине среза жесткость стружки мешает ее завиванию во впадине между зубьями. Стружка упирается в дно впадины, в результате чего возможны ее заклинивание и даже поломка протяжки.

Стружкоделительные канавки прорезают шлифовальным кругом при небольшом (2…3°) поднятии заднего центра протяжки для создания заднего угла по дну канавки. При этом ослабляются режущие кромки зубьев в точках K пересечения канавок с задней поверхностью. Это приводит к более интенсивному износу зубьев на этих участках и, соответственно, к снижению стойкости протяжки.

 

 

 

Рис. 2.3. Схемы резания, применяемые при протягивании:
а – одинарная; б – групповая; в – профильная; г – генераторная;
д – комбинированная

 

 

Схема группового резания (рис. 2.3, б) отличается от вышеописанной тем, что все режущие зубья делятся на группы или секции, состоящие из 2…5 зубьев, в пределах которых зубья имеют одинаковый диаметр. Припуск по толщине делится между группами зубьев, а по ширине – между зубьями группы благодаря широким выкружкам, выполненным в шахматном порядке. Каждый зуб снимает отдельные части припуска участками режущей кромки, где нет выкружек. При этом благодаря большой ширине выкружек снимаемая стружка не имеет ребер жесткости, хорошо скручивается в канавках между зубьями, даже при увеличении толщины среза до a_z = 0,3…0,4 мм при обработке стали и до a_z = 1,0…1,2 мм – при обработке чугуна. За счет этого при групповой схеме резания возможно существенное сокращение длины режущей части протяжки.

Широкие выкружки на зубьях обеспечивают увеличение угла стыка выкружек и режущих кромок до 130…150°. Это в сочетании с задними углами a₁ = 4…6° на вспомогательных режущих кромках, полученными при вышлифовывании выкружек, обеспечивает повышение стойкости протяжек в 2…3 раза по сравнению с одинарной схемой резания.

При проектировании протяжек с групповой схемой резания последний зуб в группе, не имеющий выкружек и выполняющий роль зачистного, делают с занижением на 0,02…0,04 мм по диаметру относительно других зубьев. Это необходимо, чтобы избежать образования кольцевых стружек, возможных при упругом восстановлении обработанной поверхности после прохода прорезных зубьев.

Недостатком групповой схемы резания является повышенная трудоемкость изготовления протяжки по сравнению с одинарной схемой.

Форма режущих кромок зубьев протяжки определяется принятой схемой формирования обработанной поверхности.

При профильной схеме (рис. 2.3, в) контур всех режущих кромок подобен профилю протягиваемого отверстия. При этом в окончательном формировании обработанной поверхности принимают участие только последние зубья, а остальные служат для удаления припуска. При сложной форме отверстий использование такой схемы нецелесообразно, так как усложняет изготовление протяжки. Профильная схема в основном применяется при формировании простых по форме поверхностей, например, круглых или плоских.

При использовании генераторной схемы (рис. 2.3, г) форма режущих кромок не совпадает с формой обработанной поверхности, которая формируется последовательно всеми зубьями. В этом случае упрощается изготовление протяжки путем шлифования напроход всех зубьев абразивным кругом одного профиля. Однако при этом на обработанной поверхности возможно появление рисок (ступенек) вследствие погрешностей заточки зубьев, что ухудшает качество обработанной поверхности.

При высоких требованиях к шероховатости обработанной поверхности рекомендуется использовать комбинированную схему (рис. 2.3, д), при которой два–три последних режущих и калибрующие зубья работают по профильной, а остальные – по генераторной схемам.

Работоспособность протяжки во многом зависит от выбранной формы зубьев и размеров стружечных канавок.

Зубья протяжки должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1) размеры зубьев должны обеспечивать возможно большее количество переточек;

2) зуб должен иметь определенный запас прочности и тем самым противостоять действующим на него силам;

3) форма и размеры стружечной канавки должны обеспечивать завивание стружки в плотный виток, а объем канавки должен быть достаточным для свободного размещения стружки, срезаемой за время контакта зуба с заготовкой;

4) геометрические параметры зубьев должны обеспечивать наибольшую стойкость протяжки.

Увеличение размеров зубьев и стружечных канавок ограничивается допустимыми значениями длины протяжки и ее прочностью.

На рис. 2.4 показаны профили зубьев и стружечных канавок, нашедшие наибольшее применение на практике: с прямолинейной и криволинейной спинками, с канавкой удлиненной формы.

 

 

 

Рис. 2.4. Профиль режущих зубьев и стружечных канавок протяжек:
а – с прямолинейной спинкой; б – с криволинейной спинкой;
в – с канавкой удлиненной формы

 

 

Зубья с прямолинейной спинкой проще в изготовлении, но с точки зрения условий завивания и размещения стружки уступают форме с криволинейной спинкой. Они используются в основном у протяжек с одинарной схемой резания при обработке сталей и хрупких материалов (чугун, бронза и др.).

При обработке стали и других пластичных металлов протяжками с групповой схемой резания, когда снимаются толстые стружки, рекомендуется использовать зубья с криволинейной спинкой, плавно сопрягающейся с передней поверхностью зуба.

Удлиненную форму стружечной канавки рекомендуется применять при обработке глубоких отверстий и отношении .

Поверхности канавок рекомендуется полировать в целях улучшения завивания стружки и легкого освобождения от нее после прекращения процесса резания.

Передний угол g выбирают в зависимости от обрабатываемого материала. Например для сталей разных групп обрабатываемости g = 10…20°, для чугунов разной твердости g = 4…10°, для алюминия и меди g = 12…15°.

Учитывая, что зубья внутренних протяжек перетачиваются только по передней поверхности и при переточке их диаметр уменьшается, на черновых зубьях задний угол a = 3°, на чистовых – a = 2°, а на калибрующих – a = 0…1°. Эти значения задних углов значительно меньше оптимальных, в результате чего снижается стойкость инструмента. Однако увеличивать их нельзя, так как это привело бы к быстрой потере размера протяжки при переточках.

Одним из важных этапов проектирования внутренних протяжек является проверка канавок на помещаемость снимаемой стружки. Это объясняется тем, что стружка, образуемая в процессе протягивания, не имеет свободного выхода. Она должна скручиваться в форме валика, диаметр которого приблизительно равен высоте зуба (глубине канавки) h. Отсюда необходимый и достаточный объем канавки определяется из соотношения объемов канавки V _к и стружки V _стр. Величина этого отношения называется коэффициентом заполнения канавки

.

Учитывая, что коэффициент усадки стружки по ширине близок к единице, то для упрощения расчетов отношение указанных объемов можно заменить отношением соответствующих площадей. При этом площадь канавки F _к берется не вся, а только ее активная часть, равная площади круга диаметром h, а площадь срезаемой стружки , где – длина обрабатываемого отверстия (рис. 2.5). Тогда

.

В связи с тем, что срезаемая стружка не может плотно заполнить канавку и между витками могут быть значительные по площади зазоры, допустимое значение К определяется опытным путем. Оно тем больше, чем хуже свертывается стружка, что имеет место, например, при обработке легированных сталей, увеличении толщины стружки и т.п.

У протяжек с одинарной схемой резания К = 1,5…4,5, а с групповой схемой резания, несмотря на значительное увеличение толщины снимаемой стружки, благодаря отсутствию ребра жесткости и благоприятной форме канавки рекомендуется брать значения К = 2…3.

 

 

Рис. 2.5. Схема заполнения канавки протяжки стружкой

 

 

Длина режущей части протяжки и число одновременно работающих зубьев зависят от принятого шага зубьев и длины протягивания. Причем для исключения перекоса протяжки в отверстии минимальное число одновременно работающих зубьев должно быть равно: а) при одинарной схеме резания z_p ³ 2; б) при групповой схеме резания - z_p ³ 3.

Во избежание вибраций и появления поперечных рисок на обработанной поверхности из-за резких колебаний силы резания в моменты выхода зубьев из контакта с заготовкой шаг калибрующих зубьев рекомендуется делать неравномерным с отклонением ±0,5 мм.

Внутренние протяжки проверяют на прочность из-за возникающих больших растягивающих напряжений

,

где P_z – осевая составляющая силы протягивания; F _оп – площадь опасного сечения; – допускаемое напряжение при растяжении.

Опасными у протяжки являются два сечения с минимальными площадями: 1) F ₁ – по выточке в хвостовике; 2) F ₂ – по сердцевине первой стружечной канавки.

При этом F ₁ берется по ГОСТ 4044–70, а F ₂ определяется по формуле

,

где d ₁ – диаметр первого зуба протяжки.