Процесс обработки сложных ступенчатых отверстий с помощью токарного станка вместо обрабатывающего центра
2025-12-15
[Аннотация] В данном исследовании анализируются недостатки обработки сложных ступенчатых отверстий в пневматических регулирующих клапанах для городского железнодорожного транспорта с использованием обрабатывающих центров. Улучшения процесса были реализованы за счет замены обрабатывающих центров токарными станками. Было разработано специальное эксцентриковое приспособление для токарного станка, а также специально изготовленный инструмент для формирования дуги. Это позволило кардинально решить проблемы, присущие обработке на обрабатывающих центрах, обеспечить качество продукции, повысить эффективность производства и снизить производственные затраты. Процесс был проверен в реальных условиях производства и в настоящее время используется в серийном производстве.
[Ключевые слова] Ступенчатое отверстие; Формовочный инструмент; Композитный сверло; Композитный расточной инструмент; Эксцентриковый зажим; Противовес
Введение
Ступенчатые отверстия чрезвычайно распространены и универсальны в обработке. Для выполнения различных функциональных требований, таких как монтаж сердечников клапанов, удерживающих пружинных колец или облегчение соединения клапанов с компонентами, каждый сегмент требует отдельных допусков по размерам, уровней точности и спецификаций шероховатости поверхности. Следовательно, методы обработки варьируются соответственно, причем общие подходы включают токарную обработку, сверление, фрезерование, развертывание, растачивание и обработку с ЧПУ-интерполяцией. В этой статье рассматривается производство корпуса пневматического регулирующего клапана для городского железнодорожного транспорта и обсуждается использование токарных станков в качестве альтернативы обрабатывающим центрам для производства многомерных ступенчатых отверстий.
Введение
Пневматические регулирующие клапаны работают на сжатом воздухе, поэтому требуют исключительной герметичности корпуса клапана и строгой точности в посадке внутренних и внешних компонентов. Их принцип действия заключается в том, что давление сжатого воздуха заставляет золотник совершать возвратно-поступательное движение в своем отверстии, тем самым управляя открытием и закрытием каналов, соединенных с отверстием золотника. Отверстие золотника составляет сердцевину корпуса клапана, имеет несколько ступенчатых размеров, а его отверстие и поверхности сопряжения с другими компонентами выполнены в виде криволинейных поверхностей. Корпус клапана изготовлен из алюминия (6061-T6) и имеет два отверстия для золотника. Изначально эти отверстия обрабатывались на обрабатывающем центре, однако из-за многочисленных проблем и высоких затрат на обработку, после технического анализа и обсуждений было решено перейти на обработку на токарном станке.
Анализ процессов работы обрабатывающего центра
1.Анализ процесса перфорирования первого отверстия
Первое отверстие, как показано на рисунке 1, представляет три сложных положения обработки при обработке на обрабатывающем центре. Положение I является самым сложным, за ним следует положение II, а затем положение III. Они рассматриваются ниже.
Рисунок 1 Схема первого отверстия
(1) Положение I, увеличенный вид, как показано на рисунке 2. Основная сложность заключается в обработке поверхности круговой дуги с шероховатостью поверхности Ra 1,6 мкм и радиусом R 1,7 мм. При обработке на обрабатывающем центре начните с интерполяционной обработки с помощью концевой фрезы Φ6 мм, чтобы фрезеровать канавку диаметром Φ83–95 мм и шириной 6 мм. На этом этапе остаточный припуск на обработку на вершине дуговой поверхности составляет 1,8 мм, а остаточный припуск на соседней небольшой цилиндрической поверхности Φ76 мм справа от нее составляет 3,5 мм. Чтобы создать больший зазор для последующих профильных инструментов, выполняется дополнительная интерполяционная обработка на части небольшой ступени 7,5 мм с правой стороны дуги, обрабатывая от внешнего диаметра Φ83 мм до Φ79,6 мм. На этом этапе кольцевая канавка шириной 6 мм расширяется до 7,7 мм, оставляя 0,1 мм припуска на обработку на дуговой поверхности. Остаточный припуск на соседней малой цилиндрической поверхности Φ76 мм составляет 1,8 мм. Наконец, дуговая поверхность и малая цилиндрическая поверхность Φ76 мм справа от нее обрабатываются до окончательных размеров с помощью специально разработанной профилирующей фрезы.
Рисунок 2 Увеличенный вид положения I
(2) Теоретически, вышеупомянутый метод обработки позволяет достичь максимальной рабочей ширины 7,7 мм для дугообразного формовочного инструмента. Расчеты показывают, что максимальный теоретический диаметр в самом узком месте дугообразного инструмента составляет 4,3 мм. Учитывая накопление различных погрешностей, включая погрешности повторного позиционирования станка, точность обработки инструмента и погрешности настройки инструмента, а также практические соображения, такие как легкость ввода/вывода инструмента и удаление стружки, фактический минимальный диаметр, используемый для формовочного инструмента в операциях обработки, составляет 3,5 мм. Чрезмерно малый диаметр формовочного инструмента представляет собой серьезный недостаток обработки на обрабатывающем центре, создавая множество последующих проблем при обработке, некоторые из которых оказываются непреодолимыми.
2.Анализ процесса второго отверстия
Второе отверстие, как показано на рисунке 3, представляет собой ситуацию, аналогичную первой, с основным отличием в виде дуговой поверхности. Однако, поскольку позиции I, II и III являются формирующими поверхностями, требуется несколько специальных инструментов для формовки. В следующем объяснении в качестве примера используется позиция III второго отверстия (рисунок 4).
Рисунок 3 Схема второго отверстия
Рисунок 4 Увеличенный вид положения III
Минимизировать потребность в инструментах, избегая при этом трудоемкой смены инструментов и интерполяционного фрезерования, тем самым повышая точность обработки, например, концентричность отверстий. При обработке положения III сначала просверлите отверстие стандартным сверлом, а затем завершите сверление за один проход с помощью специального композитного сверла (рисунок 5). После сверления сохраняется припуск на чистовую обработку, после чего отверстие рассверливается до окончательных размеров за один проход с помощью композитного рассверла.
Из-за относительно больших размеров формованной поверхности в положении III, примерно 10 мм, при обработке с помощью композитного расточного стержня использование одной пластины может привести к вибрации инструмента и образованию волн из-за чрезмерной ширины режущей кромки, что негативно скажется на шероховатости поверхности. Чтобы минимизировать вибрацию, улучшить качество поверхности и продлить срок службы инструмента, в конструкцию формовочных фрез могут быть включены две или более пластин, работающих в сочетании для создания единой формованной поверхности. В данной статье для обработки положения III используются две пластины из композитного расточного стержня, как показано на рисунках 6 и 7.
Рисунок 5 Индивидуально изготовленное композитное сверло
Рисунок 6 Вставка 1 на композитной расточной штанге
Рисунок 7 Вставка 2 на композитной расточной штанге
Усовершенствованный метод обработки и его преимущества и недостатки
В статье предлагается усовершенствованный метод обработки этих двух отверстий, предполагающий перенос их обработки на токарный станок. Это позволяет кардинально решить проблемы, возникающие при работе на обрабатывающем центре. Ниже в основном рассматриваются преимущества и недостатки токарной обработки этих двух отверстий.
1.Преимущества
(1) Шероховатость поверхности заготовки хорошо обеспечена.
(2) Время обработки значительно сокращается, а эффективность обработки повышается. ① Диаметр хвостовика токарных инструментов значительно больше, чем у формовых инструментов обрабатывающих центров, что обеспечивает превосходную жесткость. Это позволяет существенно увеличить скорость подачи и глубину резания при токарной обработке. ② С точки зрения технологического процесса, токарная обработка отверстий значительно более эффективна с точки зрения времени, чем интерполяционный процесс, используемый в обрабатывающих центрах. Во время интерполяции в обрабатывающем центре заготовка остается неподвижной, а инструмент вращается, проходя полную круговую траекторию с заданной скоростью подачи. В отличие от этого, во время токарной обработки заготовка вращается, а инструмент проходит очень короткий путь подачи, что значительно сокращает время обработки. ③ Уменьшение количества инструментов соответственно сокращает время, необходимое для настройки, регулировки и смены инструмента.
(3) Уменьшение количества настраиваемых формовочных инструментов значительно снижает затраты на их закупку и обслуживание. ① Для обработки первого отверстия по-прежнему используется нестандартный токарный инструмент, в то время как все другие нестандартные инструменты, такие как композитные сверла и композитные расточные балки, были исключены. ② Хвостовик формовочного инструмента отличается прочностью и высокой жесткостью; при выборе подходящих параметров обработки срок службы инструмента становится исключительно длительным, и его практически не требуется заменять. ③ Замена пластин на универсальных токарных инструментах для операций по нарезанию канавок обходится дешевле, чем замена целых наборов формовочных инструментов.
2.Недостатки
(1) Специализированные приспособления должны быть спроектированы для эксцентрикового зажима, поскольку стандартные приспособления не могут удовлетворить требованиям процесса.
(2) Заготовка подвергается нескольким операциям зажима, что затрудняет обеспечение точности положения отверстий.
Проектирование эксцентриковых приспособлений для токарных станков и формовочного инструмента
1.Конструкция эксцентриковых приспособлений для токарных станков
В статье были разработаны два набора специализированных эксцентриковых зажимных приспособлений для обеспечения точности обработки обоих отверстий. Поскольку эти приспособления используют схожие методы позиционирования и зажима, различающиеся только размерами и допусками, процесс проектирования обсуждается на примере первого отверстия.
Крепление использует предварительно обработанное отверстие Φ57 мм, выполненное на предыдущем обрабатывающем центре, для центрирования, а также использует внешнюю поверхность корпуса клапана для ограничения углового положения. Зажим осуществляется с помощью прижимных пластин. Сборочный чертеж эксцентрикового крепления для токарного станка показан на рисунке 8, с рассчитанной эксцентричностью, установленной на 70±0,1 мм. Для дальнейшего повышения точности позиционирования центральный установочный штифт может иметь конструкцию с расширительной втулкой, что гарантирует, что износ приспособления не повлияет на точность позиционирования. В качестве альтернативы конструкция установочного штифта может быть изменена на двухкомпонентную сборку, состоящую из центрального штифта и втулочного кольца. Несколько втулочных колец должны быть изготовлены с шагом 0,01 мм в соответствии с диапазоном допуска. Во время фактической обработки выбирается соответствующее втулковое кольцо на основе фактических размеров отверстия, чтобы обеспечить зазор между центральным установочным штифтом и отверстием не более 0,01 мм, что повышает точность позиционирования.
Из-за эксцентричного зажима заготовки, если общая конструкция приспособления несбалансирована, при вращении приспособления вместе со шпинделем токарного станка возникают центробежные силы. Под воздействием этих центробежных сил заготовка вибрирует, что негативно сказывается на точности обработки и качестве поверхности. Это также ускоряет износ шпинделя и подшипников станка, создавая потенциальную угрозу безопасности. Поэтому для повышения качества обработки заготовок и продления срока службы станка необходимо сбалансировать приспособление.
1.Прижимная пластина; 2. Заготовка; 3. Гайка; 4. Переходной диск; 5. Крепление; 6. Противовес; 7. Двусторонний штифт; 8. Центровой установочный штифт; 9. Опорная пластина; 10. Винт.
Рисунок 8 Сборочный чертеж эксцентрикового зажимного приспособления для токарного станка
Существует два метода достижения баланса: установка противовесов или обработка отверстий для уменьшения веса. В данной статье для балансировки приспособления используется метод установки противовесов. При расчете массы противовеса для приблизительной оценки используется метод изоляции. Это включает в себя изоляцию детали и компонентов приспособления на несколько секций, игнорирование сбалансированных секций и определение массы противовеса для несбалансированных секций на основе принципа равновесия моментов. Оценки показывают, что противовес должен весить примерно 3,5 кг. Чтобы компенсировать неточности, присущие методу оценки, в противовесе вырезаются радиальные пазы. Это облегчает регулировку во время обработки для достижения оптимальной балансировки.
2.Конструкция инструмента и обработка
Чтобы минимизировать затраты на закупку инструментов для мелкосерийного производства, был разработан и изготовлен однокомпонентный токарный инструмент, как описано ниже.
2.1Выбор материалов для режущих инструментов и держателей инструментов
Поскольку материал заготовки — алюминиевый сплав 6061-T6, который обладает хорошей обрабатываемостью и преимуществами от отвода тепла с помощью охлаждающей жидкости во время обработки, режущий инструмент работает в относительно благоприятных условиях. Формовочная пластина изготовлена из широко используемой быстрорежущей стали на основе вольфрама W18Cr4V, которая характеризуется высокой твердостью, красной твердостью и повышенной твердостью при высоких температурах. При температуре резания 540 °C твердость остается на уровне HRC66; При температуре резания 600 °C твердость остается на уровне HRC 63. Материал предлагает широкий диапазон термообработки, устойчив к перегреву во время закалки, обладает низкой восприимчивостью к окислению и обезуглероживанию во время термообработки и обладает благоприятными характеристиками шлифования, легко образуя острые режущие кромки. Его хорошо отработанный процесс обработки полностью соответствует требованиям по обработке алюминиевых сплавов, изложенным в статье, и обеспечивает длительный срок службы. Как широко используемая инструментальная сталь, она является экономически эффективной, что способствует снижению производственных затрат.
2.2Конструкция инструмента
(1) Принципы проектирования формовочных инструментов. Контурная форма цельного формовочного инструмента определяется проекцией его режущей кромки на плоскость, перпендикулярную его задней поверхности.
(2) Конструкция контура инструмента. Согласно принципам конструкции инструмента, контур инструмента, перпендикулярный передней поверхности, должен точно соответствовать контуру обрабатываемой детали.
(3) Проектирование параметров инструмента. Для достижения более точного контура дуги угол наклона инструмента выбирается равным 0°. С целью обеспечения баланса между прочностью инструмента и шероховатостью поверхности угол зазора устанавливается равным 10°. Для максимального увеличения прочности инструмента в ограниченном рабочем пространстве для вершины инструмента выбирается обратный угол 10°, как показано на рисунке 9.
Рисунок 9 Двумерная диаграмма инструмента
2.3Обработка инструментами
Подход к обработке режущих инструментов предполагает полное моделирование их рабочего состояния во время резки. Профиль инструмента обрабатывается на электроэрозионном проволочном резательном станке для обеспечения точности контура готового инструмента. Во время обработки, исходя из угла наклона инструмента 10°, инструмент поднимается на 10° с помощью приспособления. Затем с помощью проволочного резания инструменту придается окончательный дугообразный контур. Этот метод обработки позволяет изготавливать инструменты с переменным фактическим углом наклона. Только часть контура, перпендикулярная направлению подачи электроэрозионного станка, сохраняет угол наклона 10°, в то время как фактический угол наклона в других неперпендикулярных положениях превышает 10°. Однако это не влияет на контур инструмента или точность обработки.
Усовершенствование процессов для повышения качества обработки отверстий
(1) Поскольку корпус клапана содержит множество отверстий, некоторые из которых пересекаются с отверстием сердечника клапана, проблема заусенцев в этих местах решается с помощью следующей последовательности обработки: сначала обрабатываются вентиляционные отверстия с более низкими требованиями к качеству поверхности, а в последнюю очередь обрабатываются критически важные отверстия сердечника клапана. Это предотвращает появление заусенцев, ориентированных внутрь отверстия сердечника клапана.
(2) По завершении каждого этапа обработки с помощью сжатого воздуха удаляются все остатки загрязнений, включая алюминиевую стружку. После завершения всех операций механической обработки для тщательной очистки используется струя воды под высоким давлением 40 МПа. Это обеспечивает полное удаление заусенцев и остатков мусора, предотвращая тем самым любые нежелательные последствия при использовании продукта.
(3) Все отверстия должны быть обработаны вручную для удаления заусенцев. В частности, при удалении заусенцев из двух отверстий клапанного сердечника, прикладываемое усилие и выдвижение инструмента должны быть направлены к внешней стороне отверстия клапанного сердечника. Это дополнительно предотвращает закручивание заусенцев обратно в отверстие клапанного сердечника, что может ухудшить его рабочие характеристики.
Заключение
(1) Благодаря усовершенствованию процесса обработки двух отверстий сердечника клапана общее время обработки корпуса клапана сократилось почти на 50 минут, что значительно сократило продолжительность обработки и повысило эффективность производства.
(2) Это позволяет кардинально решить различные проблемы, возникающие в связи с чрезмерной тонкостью инструментов для формирования дуги в обрабатывающих центрах, такие как поломка инструмента, тем самым обеспечивая качество обработки продукта.
(3) Разработал и изготовил эффективный и простой в обслуживании формовочный инструмент. Этот метод обработки обеспечивает высокую точность формы контура инструмента, является простым, практичным и недорогим.
(4) Использование нескольких композитных сверл и композитных буровых шпинделей было сокращено, что позволило значительно сэкономить на затратах на инструмент.
