2. Обработка отверстий больших диаметров

К таким отверстиям отнесем отверстия диаметром более 25 мм. В различных корпусах, таких как редукторах и коробках скоростей, эти отверстия служат для размещения опор валов. Обычно валы имеют две или три опоры, следовательно, такое же число отверстий имеет корпус. Эти два или три отверстия образуют в корпусе единую ось. Корпуса коробок скоростей, коробок подач многих металлорежущих станков имеют значительное число осей, иногда более десяти.

Исходя из служебного назначения корпуса, предъявляются достаточно высокие технические требования к следующим параметрам:

– размеры отверстий, в которых размещены подшипники качения, должны соответствовать 5 – 7 квалитетам точности;

– высокие требования к цилиндричности поверхностей отверстий, отклонения от разноразмерности в нескольких поперечных и продольных сечениях быть в пределах 0,25 от допуска на размер;

– допуск на расстояние между осями должен быть в пределах ± сотые доли миллиметра;

– параллельность и перекос осей должны быть в пределах 0,25 ÷ 0,5 от допуска на расстояние между ними;

– жесткий допуск соосности отверстий;

– шероховатость Ra 0,8 ÷ 1,25 мкм.

Необходимо разъяснить требования к соосности двух отверстий, лежащих на одной оси. Эти требования можно задавать двумя различными способами:

1. соосность каждого из отверстий относительно базы;

2. соосность каждого из отверстий относительно общей оси обоих отверстий.

В первом случае за базу принимают ось одного из отверстий, которое принимают за базовое. Расстояние от середины второго отверстия до этой оси есть показатель соосности. Несмотря на наглядность такого понимания соосности, осуществить точный контроль чрезвычайно трудно, практически невозможно. Как с помощью средств измерения реализовать положение базы? Нам необходимо определить точное расположение оси базового отверстия, имеющего отклонения от цилиндричности. Даже теоретически трудно определить положение оси. Можно представить, что это ось вписанных цилиндра или конуса. А если реальная ось криволинейна? Достаточно очень малого углового смещения этой оси, как на большом расстоянии до второго отверстия возникает большая погрешность измерения.

Соосность относительно общей оси двух отверстий имеет более определенное материальное воплощение. В середине каждого из отверстий находят центр вписанной окружности. Через эти две точки проводят общую ось. Отклонения от этой оси до центров отверстий, лежащим вблизи торцов, являются отклонения от соосности относительно общей оси.

Обозначим отверстия буквами А и Б. При таком обозначении ε₁ – отклонение оси отверстия А относительно общей оси отверстий А и Б, ε₂ –отклонение оси отверстия Б относительно общей оси отверстий А и Б. Для контроля соосности двух отверстий относительно общей оси созданы приборы, которые состоят из легкого центрального стержня, двух центраторов, двух измерительных устройств и устройства осевой фиксации прибора. Поворачивая прибор на некоторый угол, фиксируют показания измерительных устройств. Об отклонениях от соосности судят по наибольшей разности показаний измерительных устройств в отдельных поперечных сечениях.

Материалами корпусных деталей являются чугун, сталь, сплавы цветных металлов. Иногда используют бетон и синтегран (эпоксидный клей, смешанный гранитной крошкой), в этом случае места обработки армируются металлическими вставками.

Возможны два метода получения металлических заготовок: литье и сварка. Литые чугунные детали обладают достаточной прочностью, чугун хорошо гасит вибрации. Стальные заготовки более прочны, но по свойствам гашения вибраций уступают чугунным.

При выборе между указанными двумя методами руководствуются следующими соображениями. Отливка по своей конфигурации может в большей степени соответствовать конструктивным требованиям. Но получить заготовку литьем в очень короткие сроки невозможно. Необходимо пройти три этапа: вначале изготовить модель, по модели выполнить форму, затем форму залить металлом. Для сварной заготовки требуется только нарезать стальные пластины, которые сварить между собой. Нарезать пластины можно рубкой, лазерной или плазменной резкой, в том числе и на установках с ЧПУ.

Исходя из этих соображений, стальным заготовкам отдают предпочтение при необходимости получить заготовки корпусных деталей в более короткие сроки.

В отливках, выполняемых в земляные формы, обычно оставляют непролитыми отверстия диаметром меньше 50 мм, отверстия большего размера с целью экономии материала проливают.

Получение требуемой точности отверстия означает достижение заданного диаметрального размера, правильной геометрической формы поверхности и необходимого координатного расположения оси. Даже при точном расположении режущих инструментов задача достижения требуемой точности не проста. Действует закон копирования исходных погрешностей, оказывают влияние внутренние напряжения, присущие заготовке, температурные деформации и ряд других факторов, вызывающих возникновение погрешностей обработки.

Следует придерживаться определенных правил. Обработку выполнять от больших съемов материала к меньшим. Число таких съемов при необходимости получить точность размера отверстия 7-го квалитета должно быть не менее четырех. Это можно назвать правилом четырех режущих инструментов, которое гласит: «Для получения точного отверстия необходимо использовать не менее четырех инструментов». Правило требует уточнения. Если нужно получить точное расположение оси отверстия, то совершенно недостаточно расположить шпиндель с режущими инструментами в координате отверстия.

Рассмотрим это подробнее. Режущие инструменты для обработки отверстий бывают двух родов: многолезвийные (сверла, зенкеры, развертки) и однолезвийные (резцы). Многолезвийные инструменты в очень малой степени исправляют положение оси ранее обработанного отверстия, они направляются этим отверстием. Исправления можно ожидать только при двойном направлении инструментов с помощью кондукторных втулок.

На станках с ЧПУ кондукторные приспособления не используют. Единственным путем исправить положение растачиваемой оси – использовать для растачивания резец, закрепленный в консольной расточной оправке.

Итак, мы пришли к выводу, что для исправления положения оси отверстия среди четырех инструментов обязательно должны быть резцы. Их число зависит от требований к положению оси. Чем выше требования, тем большее число резцов должно быть.

Приведем примеры возможных наборов инструментов для обработки отверстий 7-го квалитета точности:

– зенкер, резец, черновая развертка, чистовая развертка;

– зенкер, зенкер, резец, развертка;

– зенкер, резец, резец, развертка;

– резец, резец, резец, развертка;

– зенкер, резец, резец, резец;

– резец, резец, резец, резец.

Имеем переход от более грубой обработки к более тонкой. Последним инструментом является развертка или резец. Развертка дает размер, примерно равный ее диаметру. Размер, получаемый при обработке резцом, может быть нестабильным при смене инструментов. Нестабильное положение может занять вершина резца, так как она находится на значительном вылете от шпинделя станка. Достаточно небольшого углового перекоса расточной оправки в шпинделе станка, как это приведет к иному положению вершины резца и, следовательно, диаметра расточенного отверстия.

Причина такого явления состоит в несовпадении углов конуса отверстия в шпинделе и у расточной оправки. Если совпадение идеально, то стабильность высока. Но так может быть только при новом станке и новой оснастке. Особенно это проявляется при конусах SK.

В настоящее время в станках расточного типа используют два типа конусных отверстий для базирования инструментов: SK и HSK.

Конус SK имеет не самотормозящуюся конусность 7 : 24. В станках применяют четыре типоразмера SK40, SK45, SK50 и SK60. Последний типоразмер в тяжелых станках. Преимущества конусов указанного типа в достаточно высокой точности центрирования инструментов и легкости извлечения их из шпинделя станка. Оправки одного типоразмера могут быть использованы в станках различных моделей, независимо от предприятия, и даже страны, изготовителя. Недостаток таких конусов состоит в описанной нестабильности положения режущего инструмента при малейшем несовпадении конусности отверстия шпинделя и оправки.

Конус HSK имеет конусность 1 : 10, такая конусность является самотормозящейся. Но тело оправок, центрирующихся в отверстии шпинделя, изготавливают тонкостенным. Оправки затягивают до упора в торец, а их центрирующаяся часть разжимается устройством затяжки оправок в шпиндель станка. Именно базирование оправок по торцу в совокупности с центрированием по конусу обеспечивает стабильность их расположения в шпинделе станка.

Оправки с конусом HSK примерно на 30 – 35% дороже оправок с конусом SK. Кроме того, переход к совершенно новой системе оснастки для предприятий, хорошо оснащенных оправками с конусом SK, требует дополнительных затрат, без которых можно обойтись, если приобретать станок с конусом SK.

Возникновение нестабильности положения вершины расточного резца объясняет широкое использование разверток в качестве последнего режущего инструмента при финишной обработке отверстий. При хорошем состоянии станка и оснастки предпочтение в качестве последнего инструмента отдают резцу.

В качестве первого инструмента выступает либо расточной резец, либо зенкер. Работа того и другого инструмента происходит при обработке заготовки-отливки в трудных условиях. В отлитом отверстии имеется корка повышенной твердости, засоры от формовочной земли. Можно фрезеровать отверстия концевой фрезой в режиме круговой интерполяции, но этот способ не может оказаться производительным, так как инструмент должен пройти достаточно большой путь.

Многие предприятия отказываются от экономии материала за счет отлитых отверстий. Имеется режущий инструмент, позволяющий получать отверстия в стенках корпусных деталей. Это кольцевые (корончатые, трепанирующие) сверла. Корпус сверла представляет собой гильзу, на переднем торце которой расположены режущие элементы. В центре корпуса по оси размещен подпружиненный центр, который служит в начале сверления для центрирования режущего инструмента, а в конце сверления выталкивает вырезанную часть в виде цилиндра, длина которого равна толщине стенки. Эта часть может быть использована в качестве заготовок деталей типа заглушки, втулки, фланцы.

Для получения требуемой шероховатости при растачивании отверстия резцами необходимо выдерживать подачу, которая определяется формулой s₀=0,14 Некоторое значение имеет материал режущего инструмента. Очень хорошие результаты получаются при работе по чугуну эльборовыми резцами. Как мы уже указывали, при резании эльбором по чугуну можно работать с очень большой скоростью резания. Но при растачивании отверстий большая скорость резания приводит к образованию конусности в обработанном отверстии. Возникшая конусность называется обратной. Такой вид конусности отличается тем, что по мере растачивания диаметр отверстия увеличивается. При прямой конусности постепенно диаметр уменьшается в связи с износом режущего инструмента, это привычное явление. Обратная конусность необычна, объяснение ее возникновения состоит в нагреве режущего инструмента и связанным с ним удлинением. В наибольшей степени разогревается припой, которым крепится эльборовая пластина к державке. Многие отказываются от растачивания точных отверстий эльборовыми резцами, считая обратную конусность неизбежным злом.

Самый действенный способ борьбы с конусностью при растачивании отверстий эльборовыми резцами состоит в работе с умеренными скоростями резания. Шероховатость обработки будет хорошей в связи с тем, что рабочие грани эльборового резца обладают очень хорошей шероховатостью.

При финишной обработке отверстий развертками шероховатость определяется состоянием калибрующей части инструмента. Хотя в обычном исполнении развертки являются многолезвийным инструментом, имеются конструкции однолезвийных. Такие развертки изготавливают фирмы Mapal и Kennametal. Особенностью однолезвийных разверток является наличие двух или трех поддерживающих пластин. Эти пластины одновременно выполняют выглаживающие функции, способствуя улучшению шероховатости обрабатываемой поверхности.

Растачивание отверстий в противоположных стенках корпусной детали сопряжено с задачей достижения высоких требований к их соосности.

Обычно связывают возникновение погрешности в расположении осей отверстий, лежащих в противоположных стенках корпуса, с неточностью поворота стола расточного станка вокруг вертикальной оси на 180°. Но следует выделить еще два фактора, определяющих возникновение составляющих отклонений от соосности по осям Х и Y.

Для уяснения обстоятельств появления погрешности по оси Х представим себе следующее. Обрабатываемая корпусная деталь размещена на столе расточного станка таким образом, что подлежащее растачиванию отверстие по координатной оси Х отстоит от оси поворота стола на некоторую величину Х₁. Но Х₁ – это номинальный размер, а фактическая величина этого размера имеет отклонения ± εХ₁. Величина этого отклонения зависит от двух причин:

1. неточности отсчета координатного размера по оси Х;

2. несовмещения нулевого значения координаты Х и оси поворота стола.

Практика эксплуатации станков с ЧПУ показывает, что вторая причина наиболее существенна.

В координатном положении заготовки Х₁± εХ₁ растачивают отверстие в первой стенке. После поворота стола на 180° для растачивания отверстий данной оси во второй стенке необходимо сместить шпиндель станка по оси Х в противоположную сторону от оси на номинальную величину Х₁, но фактическое смещение будет выполнено с удвоенной погрешностью εХ₁, по причине действия указанных выше двух причин.

Возникновение погрешности по оси Y обусловлено тем, что зеркало стола станка после поворота на 180° может занять в пространстве положение, отличное от того, которое оно занимало при растачивании отверстия в первой стенке. Только идеальное техническое состояние станка может уменьшить составляющую погрешности по оси Y до минимума.

Можно дать практический совет, как выполнять растачивание, чтобы отклонения от соосности получились минимальными. На боковой и верхней поверхностях обрабатываемого корпуса следует подготовить две ленточки: одну горизонтальную, другую вертикальную. От этих ленточек необходимо отсчитывать координатные размеры по обеим осям при растачивании отверстий в первой и второй стенках. При таком подходе исключаются все описанные выше источники возникновения погрешностей.

В корпусах шпиндельных бабок металлорежущих станков имеются отверстия шпиндельной оси, к которым предъявляются особо высокие требования. Соосность относительно общей оси должна быть в пределах нескольких микрометров.

Для обработки таких отверстий имеются высокоточные так называемые алмазно-расточные станки. Эти станки имеют стол, имеющий возможность продольного перемещения установленной на нем заготовки, и с двух сторон от стола расточные головки. Перемещение в одну, а затем в другую сторону, позволяет поочередно выполнять обработку в противолежащих стенках заготовки.

Точность алмазно-расточных станков определяется следующим:

1. точностью вращения шпинделей расточных головок;

2. точностью перемещения стола;

3. соосностью расположения шпинделей расточных головок.

Для растачивания отверстий шпиндельной оси в шпиндельных бабках станков точность алмазно-расточного станка должна быть исключительно высокой. Затруднения в достижении или поддержании такой точности во время длительной эксплуатации станка связаны с тем, что стол станка перемещается при растачивании в противоположных направлениях. В момент реверсирования происходит переориентация положения стола, следовательно, стол перемещается в обе стороны по разным траекториям. Величина переориентации зависит от технического состояния станка, но переориентация неизбежна при направляющих скольжения, в которых зазор неизбежен.

Современные алмазно-расточные станки должны иметь беззазорные направляющие качения. Взаимное расположение расточных головок можно устанавливать и восстанавливать, используя лазерные приборы. Стабильное получение точности обработки может быть обеспечено только при очень квалифицированном обслуживании алмазно-расточных станков.

Более надежным способом растачивания отверстий шпиндельной оси является использование аэростатического приспособления, конструкция которого предложена Рязанским станкостроительным заводом.

Такое приспособление устанавливают стационарно вместо стола горизонтально-расточного станка. К точности станка никаких требований не предъявляется, станок может отработать весь свой производственный ресурс. У станка используют только вращение расточного шпинделя и его продольное перемещение, но погрешности при осуществлении этих движений на точность обработки влияния не оказывают. Приспособление состоит из следующих основных частей: плиты, двух кронштейнов, несущих кондукторные втулки, борштанги с расточными резцами. Шпиндель станка соединяют с борштангой с помощью эластичной муфты, передающей на борштангу вращающий момент. Борштанга имеет максимально возможный диаметр и изготовлена из тонкостенной трубы, благодаря чему обеспечена ее большая жесткость при малом весе.

Основная особенность этого приспособления, обеспечивающая высокую точность обработки заготовок, – беззазорность вращения борштанги в кондукторных втулках. В каждой из втулок имеется несколько рядов отверстий, а в каждом ряду несколько десятков отверстий малого диаметра, через которые подается под давлением сжатый воздух. Обычно давление воздуха не превышает 0,4 – 0,5 МПа. В приспособлении выполняют чистовую обработку отверстий в два рабочих хода, припуск под обработку оставляют 1,0 мм. При первом ходе снимают 0,8 мм, при втором 0,2 мм. Для выполнения этих двух ходов имеются две борштанги, размещаемые сзади станка в магазине борштанг.

Большой диаметр борштанги обеспечивает ее жесткость и значительную подъемную силу, а малый вес – малый прогиб. Кроме того, опорные втулки имеют достаточно большую ширину, что также способствует малому прогибу, так как борштанга работает как вал с жесткой заделкой с двух концов. Такая схема приводит к малым деформациям борштанги под действием сил тяжести и резания, следовательно, к высокой точности по показателю соосности расточенных отверстий.