Технічні науки. Обробка

матеріалів у машинобудуванні

 

Добрянський С.С., Іщук М.С.

Національний технічний університету України “КПІ”

 

Сили різання при нарізуванні зовнішніх різьб головками

 

Для виготовлення зовнішніх різьб широко застосовують різьбонарізні головки типу К та КА з круглими гребінками. Точність і шорсткість поверхонь різьб залежить від великої кількості факторів [1]. Вплив цих факторів на параметри якості різьб можна визначити експериментальним шляхом, що потребує великих затрат і трудомістке. Нами установлено, що між точністю нарізуваних різьб і силами різання існує кореляційний зв'язок. Тобто сили, що виникають при нарізуванні різьб, можуть не тільки характеризувати протікання процесу різьбоформування в цілому, але й служити критерієм оцінки якості різьб. Крім того, сили різання необхідні при проектуванні інструмента, визначенні потужності обладнання тощо.

У літературі наведені [1] результати експериментальних досліджень точності і сил різання, виконаних для вузького діапазону різьб.

Мета роботи-розробка методики визначення сил різання для всього діапазону різьб, нарізуваних різьбонарізними головками.

Можна записати, що крутний момент М, що виникає при нарізуванні різьб, складається з моменту різання Мр, як результат зрізання стружки різальними зубами, та моменту тертя Мт внаслідок тертя калібруючих зубів гребінок об нарізану різьбу.

                                                  (1)

У відповідності до крутних моментів, на чотири гребінки головки діють сили

                                                   (2)

По аналогії з точінням різцями можна прийняти, що максимальна сила Pz для гребінок, виготовлених з швидкорізальних сталей, залежить від глибини різання та подачі [2]. Очевидно, що глибина різання дорівнює сумарній довжині різальних кромок, що одночасно приймають участь в роботі, а подача - подачі на зуб.

Кількість різальних зубів усіх гребінок

                                                  (3)

де lз-довжина забірного конуса гребінки, Sp - крок нарізуваної різьби. Можна прийняти (рис.1), що товщина зрізуваного шару одним зубом (подача на зуб) Sz=AC/Zp.

З рис.1 виходить, що для метричних різьб [4]

                                              (4)

AC=0,743 Sp, AG=0,487 Sp, GC=0,256 Sp.

 

 

Рис.1. Схема для визначення подачі на зуб та глибини різання

 

Для перших зубів гребінок, що прорізують канавку між витками на глибину GC, довжина різальної кромки LS

                                           (5)

де z- порядковий номер різального зуба.

За формулою (5) визначаємо довжину різальних кромок поки RC≤GC, де RC- глибина прорізуваної канавки між витками черговим зубом.

Якщо RC > GC, то довжину різальної кромки L´S´ визначаємо

                                 (6)

Розрахункові значення сил різання, що виникають на середньому діаметрі нарізуваної різьби, та відповідні крутні моменти наведені в таблиці. Сили різання визначались за загальноприйнятими формулами для точіння різцями [2]. Там же наведені експериментальні значення сумарних крутних моментів, які визначались за допомогою динамометра. Матеріал заготовок – сталь 45, НВ210-220; параметри заточки гребінок – близькі до оптимальних; швидкість різання - 8,5м/хв; охолодження рідиною на масляній основі. Різьба нарізувалась головкою 4КА в режимі самозатягування на вертикально-фрезерному верстаті 2Н135.

Таблиця

Розрахункові та експериментальні значення сил різання і крутних моментів

Різьба

Sp,мм

d2, мм

гребінка

lз, мм

lк, мм

zp

zk

Σlp, мм

1

2

3

4

5

6

7

8

9

М27×1,5

1,5

26,026

4-1,5

3,4

12,60

9

33,6

4,41

М27×2

2

25,701

4-2

4,5

11,50

9

23

5,85

М27

3

25,051

4-3

6,6

11,40

8,8

15,2

8,63

продовження таблиці

Різьба

Sz,мм/зуб

Mp,Нм

Pz, Н

Me,Нм

Pze, Н

MТ,Нм

PzТ, Н

Pze/ Pz

10

11

12

13

14

15

16

17

18

М27×1,5

0,12

20,18

1551

27,60

2120

7,42

569

1,37

М27×2

0,16

32,81

2553

44,30

3450

11,52

897

1,35

М27

0,25

65,93

5264

82,17

6560

16,24

1296

1,25

 

У таблиці: Sp- крок різьби; d2- середній діаметр різьби; lз, lк- довжина різальної та калібруючої частини гребінки; zp, zk- розрахункова кількість різальних і калібруючих зубів усіх чотирьох гребінок (3); Σlp- сумарна довжина різальних кромок (5,6), тобто глибина різання; Sz- подача на зуб (4); Pz, Mp- розрахункові значення тангенціальних сил різання і крутного моменту; Me, Pze- експериментальні значення крутних моментів і сил різання та тертя; MТ, PzТ- частина крутних моментів і сил різання, що виникають внаслідок тертя калібруючих зубів об заготовку.

Аналіз результатів досліджень показує, що сили і крутні моменти, що виникають при нарізуванні різьб головками можна визначити за загальноприйнятими формулами для точіння. Але їх необхідно збільшувати на 20-40%, щоб врахувати сили тертя на калібруючих частинах гребінок. Більші сили тертя виникають при нарізуванні різьб з малим кроком і, відповідно, великою кількістю калібруючих зубів. При нарізуванні різьб з крупним кроком і невеликою кількістю калібруючих зубів сили тертя зменшуються.    

Запропоновану методику визначання сил різання і крутних моментів можна застосувати тільки при нормальному протіканні процесу різьбоформування, коли сили різання та моменти стабільні по довжині нарізуваної різьби. У випаду зростання крутного моменту по довжині різьби, що викликано непрорізанням повного профілю різьби різальними зубами, завищеним перевищенням різальної кромки та іншими факторами, порушуються нормальні умови різьбоформування і сили тертя та крутні моменти можуть зростати у два та більше разів, що може привести до поломки головки.

Протікання процесу нарізування різьб головками, їх точність та шорсткість поверхонь залежать не тільки від тангенціальних Pz, але й радіальних Py та осьових Px сил різання. Радіальні сили безпосередньо впливають на точність, а осьові сили визначають зусилля, необхідне для врізання головки в заготовку, а також умови, що виключають підрізування профілю витків різьби. Для визначення складових сил різьбоформування спроектований спеціальний трьохкомпонентний динамометр.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Співвідношення складових сил різьбоформування

На рис.2 показані співвідношення складових сил при різних умовах різьбоформування, розміщених у послідовності зростання Pz. 

Незважаючи на різні умови нарізування різьб головками, спостерігається висока стабільність відношення

Pz: Py: Px = 1:0,57:0,25.                                        (7)

Тобто, розрахувавши М та Pz за розробленою методикою, можна з достатньою для практики точністю визначити Py та Px для стандартних гребінок з кутом заборного конуса φ = 20º.

Висновки:

1.                     Розроблена методика розрахунку крутних моментів та тангенціальних сил різання при нарізуванні зовнішніх різьб головками.

2.                     Проведені відповідні експериментальні дослідження.

3.                     Установлено, що при нормальному протіканні процесу різьбоформування, сили тертя калібруючих зубів становлять, приблизно 20-40% від сил різання.

4.                     Показана висока стабільність співвідношення складових сил різьбонарізання Pz: Py: Px і спосіб їх визначення для стандартних гребінок.

 

Література:

1.                     Добрянський С.С., Іщук М.С. Взаємозв’язок точності і сил різання при нарізуванні різьб головками. Матеріали за V міжнародна конференція «Новини от добрата наука-2009». Том 18. София, «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2009, ст.45-49.

2.                     Справочник нормировщика-машиностроителя. Том 2. Техническое нормирование станочных работ. Под ред. Е.И. Стружестраха. М. ГНТИМЛ, 1961. – 892 с.

 

 

 

 

 

 

Відомості про авторів:

1.                     Добрянський Станіслав Спиридонович, канд. техн. наук.

Місце роботи: НТУУ «КПІ», кафедра «Технології машинобудування», доцент, м. Київ.

Домашня адреса: 02154, Київ-154, Русанівський бульвар 1, кв.48, тел. 295-14-49.

2.                     Іщук Михайло Сергійович

Місце навчання: НТУУ «КПІ», кафедра «Технології машинобудування», студент.

Домашня адреса: Київ, вул. Борщагівська 144, кв. 9-15