Протяжка — это процесс обработки , в котором для удаления материала используется зубчатый инструмент, называемый протяжкой . Существует два основных типа протяжки: линейная и вращательная . При линейной протяжке, которая является более распространенным процессом, протяжка линейно движется по поверхности заготовки для выполнения разреза. Линейные протяжки используются в протяжном станке , который также иногда сокращается до протяжки . При вращательной протяжке протяжка вращается и вдавливается в заготовку для вырезания осесимметричной формы. Вращающаяся протяжка используется в токарном станке или винтовом станке . В обоих процессах рез выполняется за один проход протяжки, что делает ее очень эффективной.
Протяжка используется, когда требуется точная обработка, особенно для нестандартных форм. Обычно обрабатываемые поверхности включают круглые и некруглые отверстия, шлицы , шпоночные пазы и плоские поверхности. Типичные заготовки включают в себя отливки малого и среднего размера , поковки , детали винтовых машин и штамповки . Несмотря на то, что протяжки могут быть дорогими, протяжка обычно предпочтительнее других процессов при использовании для крупносерийного производства. [1]
Протяжки имеют форму, похожую на пилу, за исключением того, что высота зубцов увеличивается по длине инструмента. Более того, протяжка содержит три отдельных секции: одну для черновой обработки, другую для получистовой обработки и окончательную для чистовой обработки. Протяжка — необычный процесс обработки, поскольку в ней подача встроена в инструмент. Профиль обработанной поверхности всегда обратен профилю протяжки. Подъем на зуб (RPT), также известный как шаг или подача на зуб, определяет количество удаляемого материала и размер стружки. Протяжку можно перемещать относительно заготовки и наоборот. Поскольку все функции встроены в протяжку, для ее использования не требуется сложных движений или квалифицированного труда. [2] Протяжка фактически представляет собой набор одноточечных режущих инструментов, расположенных последовательно, которые режут один за другим; ее рез аналогичен многократным проходам формовщика .
Концепция протяжки восходит к началу 1850-х годов, когда впервые ее применили для нарезания шпоночных пазов в шкивах и шестернях . После Первой мировой войны протяжка использовалась для нарезки стволов орудий. В 1920-х и 30-х годах допуски были ужесточены, а стоимость снижена благодаря достижениям в области шлифовальных и протяжных станков. [3]
Процесс зависит от типа выполняемой протяжки. Поверхностная протяжка очень проста, так как либо заготовка перемещается против неподвижной поверхностной протяжки, либо заготовка удерживается неподвижно, в то время как протяжка перемещается против нее.
Внутренняя протяжка более сложна. Процесс начинается с зажима заготовки в специальном удерживающем приспособлении , называемом держателем заготовки , который устанавливается в протяжном станке. Подъемник протяжного станка , который является частью станка, которая перемещает протяжку над держателем заготовки, затем опускает протяжку через заготовку. После этого тяга протяжного станка , по сути крюк, захватывает направляющую протяжки. Затем подъемник освобождает верхнюю часть толкателя, и тяга полностью протягивает протяжку через заготовку. Затем заготовка извлекается из станка, а протяжка поднимается обратно, чтобы снова войти в зацепление с подъемником. [4] Протяжка обычно движется только линейно, но иногда она также вращается, чтобы создать спиральный шлиц или нарезку ствола оружия . [5]
Смазочно-охлаждающие жидкости используются по трем причинам:
Наиболее распространены стабилизированные нефтяные смазочно-охлаждающие жидкости. Однако используются водорастворимые смазочно-охлаждающие жидкости для тяжелых условий эксплуатации из-за их превосходного охлаждения, чистоты и негорючести. [6]
Первоначально протяжка была разработана для обработки внутренних шпоночных пазов. Однако вскоре было обнаружено, что протяжка очень полезна для обработки других поверхностей и форм для крупногабаритных заготовок. Поскольку каждая протяжка специализирована для резки только одной формы, либо протяжка должна быть специально разработана для геометрии заготовки, либо заготовка должна быть спроектирована вокруг стандартной геометрии протяжки. Индивидуальная протяжка обычно применима только для крупногабаритных заготовок, поскольку ее производство может стоить от 15 000 до 30 000 долларов США. [7]
Скорость протяжки варьируется от 20 до 120 поверхностных футов в минуту (SFPM). Это приводит к полному времени цикла от 5 до 30 секунд. Большая часть времени уходит на обратный ход, обработку протяжки, а также загрузку и выгрузку заготовки. [8]
Единственными ограничениями при протяжке являются отсутствие препятствий по всей длине обрабатываемой поверхности, отсутствие изгибов в нескольких плоскостях геометрии, [9] а также достаточно высокая прочность заготовки, чтобы выдерживать прилагаемые усилия. В частности, для внутренней протяжки в заготовке должно быть предварительно сделано отверстие, чтобы протяжка могла войти. [10] Кроме того, существуют ограничения на размер внутренних прорезей. Обычные внутренние отверстия могут иметь диаметр от 0,125 до 6 дюймов (от 3,2 до 152,4 мм), но можно достичь диапазона от 0,05 до 13 дюймов (от 1,3 до 330,2 мм). Диапазон поверхностных протяжек обычно составляет от 0,075 до 10 дюймов (от 1,9 до 254,0 мм), хотя возможный диапазон составляет от 0,02 до 20 дюймов (от 0,51 до 508,00 мм). [11]
Допуски обычно составляют ±0,002 дюйма (±0,05 мм), но в точных приложениях может выдерживаться допуск ±0,0005 дюйма (±0,01 мм). Чистота поверхности обычно составляет от 16 до 63 микродюймов (мкдюйм), но может варьироваться от 8 до 125 мкдюйм. [11] На выходной стороне реза могут быть небольшие заусенцы . [8]
Протяжка лучше всего подходит для более мягких материалов, таких как латунь , бронза , медные сплавы , алюминий , графит , твердые резины , дерево , композиты и пластик . Тем не менее, она по-прежнему имеет хорошую оценку обрабатываемости на мягких сталях и легкообрабатываемых сталях . При протяжке оценка обрабатываемости тесно связана с твердостью материала. Для сталей идеальный диапазон твердости составляет от 16 до 24 единиц по Роквеллу (HRC); твердость выше 35 HRC быстро затупит протяжку. Протяжка сложнее на более твердых материалах, нержавеющей стали и титане , [12], но все еще возможна. [9] [13]
Броши можно классифицировать по многим признакам: [5]
Если протяжка достаточно большая, то затраты можно сократить, используя сборную или модульную конструкцию. Это подразумевает изготовление протяжки по частям и ее сборку. Если какая-либо часть изнашивается, то заменять нужно только эту часть, а не всю протяжку. [14]
Большинство протяжек изготавливаются из быстрорежущей стали (HSS) или легированной стали ; покрытия из нитрида титана (TiN) распространены на HSS для продления срока службы. За исключением случаев протяжки чугуна , карбид вольфрама редко используется в качестве материала зубьев, поскольку режущая кромка трескается при первом проходе. [14]
Протяжка для плиты — простейшая поверхностная протяжка. Это универсальный инструмент для резки плоских поверхностей. [9]
Протяжки пазов (G и H) предназначены для резки пазов различных размеров с высокой производительностью. Протяжка пазов выполняется намного быстрее фрезерования , когда необходимо обработать более одного паза, поскольку несколько протяжек могут быть одновременно пропущены через деталь на одном и том же протяжном станке. [9]
Контурные протяжки предназначены для резки вогнутых, выпуклых, кулачковых, контурных и неправильной формы поверхностей. [9]
Протяжки-горшки вырезаются наоборот внутренней протяжки; они вырезают наружный диаметр цилиндрической заготовки. Они названы в честь приспособления, похожего на горшок, в котором устанавливаются протяжки; приспособление часто называют «горшком». Горшок предназначен для удержания нескольких протяжных инструментов концентрически по всей его длине. Протяжка удерживается неподвижно, пока заготовка проталкивается или протягивается через нее. [15] Это заменило зубофрезерование для некоторых эвольвентных передач и нарезание внешних шлицов и пазов. [9]
Протяжки с разносторонним расположением используют две протяжки для резки параллельных поверхностей на противоположных сторонах заготовки за один проход. Этот тип протяжки имеет более узкие допуски, чем если бы два разреза выполнялись независимо. [9] Он назван в честь того факта, что протяжки «растягивают» заготовку с нескольких сторон. [15]
Сплошные протяжки являются наиболее распространенным типом; они сделаны из одного цельного куска материала. Для протяжек, которые быстро изнашиваются, используются протяжки- оболочки ; эти протяжки похожи на сплошные протяжки, за исключением того, что в центре есть отверстие, через которое они крепятся на оправке . Протяжки-оболочки изначально стоят дороже, но экономят общую стоимость, если протяжку приходится часто заменять, поскольку пилоты находятся на оправке и их не нужно воспроизводить при каждой замене. [14]
Модульные протяжки обычно используются для больших внутренних протяжек. Они похожи на протяжки-оболочки тем, что представляют собой многокомпонентную конструкцию. Такая конструкция используется, потому что ее дешевле изготавливать и затачивать, и она более гибкая, чем цельная конструкция. [14]
Распространенным типом внутренней протяжки является протяжка с шпоночным пазом (C & D). Она использует специальное приспособление, называемое рогом, для поддержки протяжки и правильного расположения детали по отношению к протяжке. [9]
Протяжка для измерения концентричности — это особый тип протяжки для резки шлицев, которая режет как меньший диаметр , так и форму шлица для обеспечения точной концентричности. [9]
Протяжка с отрезкой и повторной протяжкой используется для резки тонкостенных заготовок. Тонкостенные заготовки имеют тенденцию расширяться во время резки, а затем сжиматься после нее. Эта протяжка решает эту проблему, сначала протягивая стандартными черновыми зубьями, за которыми следует «дышащая» секция, которая служит в качестве направляющей, поскольку заготовка сжимается. Зубья после «дышащей» секции затем включают черновые, получистовые и чистовые зубья. [16]
Для определения геометрии протяжки ниже показан внутренний тип. Обратите внимание, что геометрии других протяжек аналогичны.
где:
Наиболее важной характеристикой протяжки является подъем на зуб (RPT), который показывает, сколько материала снимает каждый зуб. RPT различается для каждой секции протяжки, которые являются черновой секцией ( t r ), получистовой секцией ( t s ) и чистовой секцией ( t f ). Черновые зубья снимают большую часть материала, поэтому количество требуемых черновых зубьев определяет длину протяжки. [17] Получистовые зубья обеспечивают чистовую обработку поверхности, а чистовые зубья обеспечивают окончательную отделку. RPT чистовой секции (t f ) обычно равен нулю, так что по мере износа первых чистовых зубьев последующие продолжают выполнять функцию калибровки. Для легкообрабатываемых сталей RPT составляет от 0,006 до 0,001 дюйма (от 0,152 до 0,025 мм). Для поверхностной протяжки RPT обычно составляет от 0,003 до 0,006 дюйма (от 0,076 до 0,152 мм), а для протяжки диаметра — от 0,0012 до 0,0025 дюйма (от 0,030 до 0,064 мм). Точное значение зависит от многих факторов. Если прорезь слишком большая, она будет оказывать слишком большое напряжение на зубья и заготовку; если прорезь слишком маленькая, зубья будут тереться вместо того, чтобы резать. Один из способов увеличить RPT, сохраняя при этом низкие напряжения, — использовать стружколомы . Это выемки на зубьях, предназначенные для разрушения стружки и уменьшения общего количества материала, удаляемого любым данным зубом (см. рисунок выше). [5] Для эффективной протяжки заготовка должна иметь на 0,020–0,025 дюйма (от 0,51 до 0,64 мм) больше материала, чем конечный размер прорези. [8]
Угол зацепа ( α ) является параметром разрезаемого материала. Для стали он составляет от 15 до 20°, а для чугуна — от 6 до 8°. Отступ ( γ ) обеспечивает зазор для зубьев, чтобы они не терлись о заготовку; обычно он составляет от 1 до 3°. [5]
При радиальном прошивании заготовок, требующих глубокого реза на зуб, таких как поковки или литье , можно использовать конструкцию роторной резки или резки скачком ; эти протяжки также известны как протяжки свободного выхода или протяжки с выкусыванием . [9] В этой конструкции RPT предназначен для двух или трех рядов зубьев. Для работы протяжки первый зуб этого кластера имеет широкую выемку или поднутрение, а затем следующий зуб имеет меньшую выемку (в конструкции с тремя зубьями), а последний зуб не имеет выемки. Это позволяет выполнять глубокую резку, сохраняя при этом низкие напряжения, усилия и требования к мощности. [5]
Существует два различных варианта достижения одной и той же цели при протяжке плоской поверхности. Первый вариант похож на конструкцию с роторной резкой, которая известна как конструкция с двойной резкой . Здесь четыре зуба в ряд имеют одинаковый RPT, но каждый прогрессивный зуб занимает только часть реза из-за выемок в зубьях (см. галерею изображений ниже). Другой вариант известен как прогрессивная протяжка, которая полностью обрабатывает центр заготовки, а затем остальная часть протяжки обрабатывается оттуда наружу. Все эти конструкции требуют протяжки, которая длиннее, чем при использовании стандартной конструкции. [5]
Для некоторых круглых протяжек вместо чистовых зубцов предусмотрены полирующие зубья . На самом деле это не зубья, а просто закругленные диски, которые на 0,001–0,003 дюйма (0,025–0,076 мм) больше по размеру. Это приводит к полировке отверстия до нужного размера. Это в основном используется для цветных металлов и чугунных заготовок. [8]
Шаг определяет конструкцию зуба, прочность и количество зубьев, контактирующих с заготовкой. Шаг обычно рассчитывается по длине заготовки, так что протяжка может быть спроектирована так, чтобы иметь по крайней мере два зуба в контакте с заготовкой в любой момент времени; шаг остается постоянным для всех зубьев протяжки. Один из способов расчета шага: [17]
Протяжные станки относительно просты, поскольку им нужно только перемещать протяжку линейно с заданной скоростью и обеспечивать средства для автоматической обработки протяжки. Большинство станков гидравлические , но несколько специальных станков имеют механический привод. Станки различаются по тому, является ли их движение горизонтальным или вертикальным. Выбор станка в первую очередь диктуется требуемым ходом. Вертикальные протяжные станки редко имеют ход длиннее 60 дюймов (1,5 м). [18]
Вертикальные протяжные станки могут быть спроектированы для протягивания толканием, протягивания вниз, протягивания вверх или протягивания поверхности. Протяжные станки толканием похожи на оправочный пресс с направляемым плунжером; типичная мощность составляет от 5 до 50 тонн. Двухплунжерный протяжной станок является наиболее распространенным типом протяжного станка. У этого типа станка плунжеры находятся под столом. У протягивающих станков плунжер находится над столом; они обычно имеют более одного плунжера. [19] Большая часть протягивания поверхности выполняется на вертикальном станке. [9]
Горизонтальные протяжные станки предназначены для протягивания, поверхностного протягивания, непрерывного протягивания и вращательного протягивания. Протяжные станки в основном представляют собой вертикальные станки, уложенные на бок с более длинным ходом. Поверхностные станки удерживают протяжку неподвижно, пока заготовки зажимаются в приспособлениях, которые установлены на конвейерной системе. Непрерывные станки похожи на поверхностные станки, за исключением того, что адаптированы для внутреннего протягивания. [19]
Горизонтальные машины раньше были гораздо более распространены, чем вертикальные; однако сегодня они составляют всего 10% всех купленных протяжных машин. Вертикальные машины более популярны, потому что они занимают меньше места. [9]
Протяжка часто невозможна без специальных протяжных или шпоночных станков, если только у вас нет системы, которую можно использовать совместно с современным обрабатывающим центром или токарным станком с приводным инструментом; эти дополнительные части оборудования открывают возможность изготовления шпоночных пазов, шлицев и звездообразных соединений посредством одноударной обработки. [20]
Несколько иная конструкция режущего инструмента, которая может достигать нерегулярного отверстия или внешнего профиля протяжки, называется вращающейся протяжкой или качающейся протяжкой . Одним из самых больших преимуществ этого типа протяжки является то, что она не требует протяжного станка, а вместо этого используется на токарных станках, фрезерных станках, [21] токарно-винторезных станках или швейцарских токарных станках . [22]
Для ротационной протяжки требуются два инструмента: держатель инструмента и протяжка. Передняя (режущая) кромка протяжки имеет контур, соответствующий желаемой конечной форме. Протяжка устанавливается в специальный держатель инструмента, который позволяет ей свободно вращаться. Держатель инструмента особенный, потому что он удерживает инструмент так, что его ось вращения слегка наклонена к оси вращения заготовки. Типичное значение этого смещения составляет 1°. Этот угол создает вращающуюся кромку для протяжки, чтобы резать заготовку. Вращается либо заготовка, либо держатель инструмента. Если вращается держатель инструмента, смещение приводит к тому, что протяжка выглядит так, как будто она «колеблется», что является источником термина « колебательная протяжка » . [22]
Для внутренней протяжки стороны протяжки вытягиваются внутрь, чтобы она стала тоньше; для внешней протяжки стороны вытягиваются наружу, чтобы сделать карман больше. Эта вытяжка удерживает протяжку от заклинивания; вытяжка должна быть больше угла несоосности. Если заготовка вращается, протяжка прижимается к ней, приводится ею в движение и вращается синхронно с ней. Если вращается держатель инструмента, протяжка прижимается к заготовке, но приводится в движение держателем инструмента. [22]
В идеале инструмент движется с той же скоростью, с которой он режет. Идеальная скорость резки определяется как: [23]
Если он продвигается намного быстрее, то инструмент заклинивает; и наоборот, если он продвигается намного медленнее, то происходит прерывистый или зигзагообразный рез. На практике скорость резания немного меньше идеальной скорости, так что нагрузка снимается на нережущей кромке инструмента.
Инструмент имеет некоторую спиральность при резке, поэтому форма в нижней части заготовки может быть повернута относительно формы в верхней части отверстия или профиля. Спиральность может быть нежелательной, поскольку она связывает корпус инструмента и не позволяет ему резать резко. Одним из решений этой проблемы является изменение направления вращения в середине резки, заставляя инструмент вращаться по спирали в противоположном направлении. Если реверсирование станка нецелесообразно, то прерывание резки является другим возможным решением.
В целом, вращающаяся протяжка не режет так же точно, как протяжка push-out или pull-out. Однако возможность использования этого типа режущего инструмента на обычных станках является весьма выгодной. Кроме того, протяжки push-out или pull-out не могут использоваться в глухих отверстиях, в то время как вращающаяся протяжка может, при условии, что на дне отверстия достаточно места для стружки.
