СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКОГО ОТВЕРСТИЯ В ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКЕ

Изобретение относится к станкостроению, в частности к способам механической обработки глубоких отверстий в трубных заготовках с применением металлорежущих станков.

Может использоваться для осуществления процессов особо высокой точности растачивания, прошивания, дорнования и внутреннего шлифования отверстий в длинномерных трубах на малогабаритных станках, например, при обеспечении требований к точности отверстий по ТУ 14-3-/941/-94.

Известен способ чистового растачивания на растяжение, осуществляемый головкой стебля, жестко закрепляемой в стебле и базирующейся по поверхности механически обрабатываемого глубокого отверстия трубной заготовки регулируемыми направляющими (Кирсанов С.В., Гречишников В.А., Схиртладзе А.Г., Кокарев В.И. «Инструменты для обработки точных отверстий». - М., Машиностроение, 2003. 330 с.). Способ осуществляется головкой с регулируемыми направляющими и предусматривает приемы, при которых обрабатываемая деталь устанавливается и выверяется на станке, а расточная головка (без пластины) жестко закрепленная в стебле, вводится на всю длину задних направляющих шпонок. Данный способ скоростного чистового растачивания предполагает работу стебля на растяжение при его обратном рабочем ходе. Прямой ход стебля остается холостым.

Недостаток способа в необходимости применения с головкой и длинного стебля, общая длина которых равна или больше длины обрабатываемого отверстия, что приводит к большим длинам устройств и металлорежущих станков для осуществления способа растачивания.

Существует способ растачивания глубоких отверстий расточными головками с самоустанавливающимися направляющими шпонками, при котором отпадает надобность в установке направляющих шпонок на требуемый размер перед началом каждого прохода через отверстие (Кирсанов С.В., Гречишников В.А., Схиртладзе А.Г., Кокарев В.И. «Инструменты для обработки точных отверстий». - М., Машиностроение, 2003. 330 с.). В таком процессе растачивание ведется и на сжатие, и на растяжение, то есть без потери времени на холостые ходы.

Недостаток способа в необходимости применения с головкой и длинного стебля, общая длина которых равны или больше длины обрабатываемого отверстия, что приводит к большим длинам станков и устройств для осуществления способа растачивания глубоких отверстий.

Известен способ растачивания при варианте конструкции головки с самоустанавливающимися направляющими, имеющими восемь направляющих шпонок, расположенных в двух рядах по четыре шпонки в каждом (Минков М.А. «Технология изготовления глубоких точных отверстий» - М., Л.: Машиностроение, 1965. 176 с.). При этом возможно использование головки с регулируемыми направляющими шпонками, которая имеет направляющие шпонки из текстолита, расположенные по окружности впереди и сзади плавающей пластины, закрепленные в колодках.

Недостаток способа в необходимости предварительной обработки поверхности обрабатываемого глубокого отверстия под переднее направление.

Известен способ растачивания с использованием инструмента для обработки отверстий диаметром 40…380 мм и глубиной до 4000 мм в гильзах пневмо- и гидроцилиндров, представляется фирмой Sandvik Coromant (Швеция) (Каталог фирмы Sandvik Coromant, 2010, (http://www.coromant.sandvik.com). При прямом ходе инструмента осуществляется растачивание отверстия плавающим двухлезвийным расточным блоком, оснащенным твердым сплавом. После окончания растачивания включается обратная подача инструмента для осуществления пластической деформации поверхности обработанного отверстия.

Недостатком такого способа является необходимость предварительной обработки поверхности обрабатываемого глубокого отверстия под переднее направление.

Описан способ вихревого нарезания резьбы (Косарев Д.В. Повышение точности формообразования внутренних резьб фрезами с твердосполавными пластинами при планетарном движении инструмента; автореф. дис.… канд. техн. наук / Д.В. Косарев СамГТУ; Станкин. - Москва, 2010), представляющий собой скоростное фрезерование вращающимися резцами. В современной технической литературе данный способ отмечается, как способ обработки резьбы с планетарным движением инструмента, обеспечивающий хорошее деление стружки.

Однако способ не предназначен для обработки глубоких отверстий, а отсутствие в известной конструкции механизма планетарного движения обуславливает невозможность работы станка с большими подачами и повышенным съемом объема металла в единицу времени.

Известен способ растачивания глубоких отверстий и устройство для его осуществления (Смольников Н.Я. Специальные станки для растачивания глубоких прерывистых отверстий шпинделями на выносных опорах: монография / Н.Я. Смольников, В.А. Санинский; ВолгГТУ. - Волгоград: РПК «Политехник», 2004. - 176 с., стр. 105-112).

Данный способ обработки глубоких отверстий в трубных заготовках включает применение устройства, содержащее входной и выходной люнеты для закрепления между ними длинномерной трубной заготовки, режуще-деформирующую пиноль в виде гильзы с помещенной в нее борштангой, содержащую режущий инструмент и имеющую привод вращения борштанги и привод подачи, при котором совмещают процессы растачивания и режуще-деформирующего протягивания, устанавливая обрабатываемую трубную заготовку между входной и выходной втулками-люнетами соосно с ними, а механическую обработку осуществляют пинолью с установленной в ней борштангой с резцом, привод вращения которой выполнен в виде пневматической турбины, а привод подачи в виде гидроцилиндра с поршнем, воздействующем на пиноль, снабженную пустотелой режуще-деформирующей прошивкой, причем при осуществлении способа пиноль устанавливают перед обработкой глубокого отверстия, базируют в исходном положении во входной втулке-люнете, затем включают рабочую подачу, перемещают пиноль в отверстие заготовки и растачивают, базируясь своими деформирующими зубьями вначале по поверхности входной втулки-люнета, а затем по поверхности обрабатываемого отверстия, при этом расточной резец устанавливают впереди режуще-деформирующей прошивки и растачивают отверстие начерно, а режущие зубья прошивки увеличивают его размер до диаметра, необходимого для поверхностной пластической деформации, и устраняют погрешности растачивания, возникающие от износа резца и его наладки, а дорнующие зубья калибруют отверстие в окончательный размер, а по окончании рабочего хода пиноль перемещают полностью в выходную втулку и затем выполняют обратный рабочий ход, при котором прошивкой повторно калибруют обработанное отверстие и выводят в исходное положение во входную втулку-люнет.

Недостаток способа в недостаточной экономичности, обусловленной значительными габаритами металлорежущего станка и его механизмов приводов подачи и вращения инструментов, которые обуславливают значительные габариты устройства и, соответственно, занимаемую производственную площадь, что в конечном счете, приводит к увеличению затрат на выполнении операции механической обработки глубокого отверстия.

Тем не менее предлагаемый способ является наиболее близким техническим решением, позволяющим обеспечить механическую обработку отверстий в длинномерных трубных заготовках.

Задачей предлагаемого способа является сокращение производственных площадей на участке механической обработки трубных длинномерных заготовок и сокращение времени подготовки их производства.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии, ускорение подготовки производства трубных заготовок с большой длиной обрабатываемых отверстий в условиях повышения требований к качеству обработки.

Технический результат достигается в способе механической обработки глубокого отверстия в трубной заготовке, при котором обработку осуществляют устройством, содержащем борштангу с режущим инструментом, расположенную на эксцентричных подшипниках в пиноли с режущими и дорнующими зубьями, снабженной передней и задней крышками, которую базируют перед подачей рабочей среды в исходном положении, при этом во время прямого рабочего хода борштанга осуществляет поступательное и вращательное движение, совмещая процессы растачивания, протягивания и дорнования глубокого отверстия, а во время обратного рабочего хода - повторное дорнование обрабатываемого глубокого отверстия, причем перед началом обработки на входе в глубокое отверстие трубной заготовки выполняют расточку длиной не менее длины пиноли, для базирования пиноли в исходном положении перед подачей рабочей среды, а на торцах трубной заготовки устанавливают левую и правую заглушки с дросселями и, посредством резьбовых поверхностей, фиксируют их по резьбе, предварительно нарезанной по наружной поверхности на концах трубной заготовки, создавая единую герметичную полость, при этом для осуществления прямого рабочего хода рабочую среду подают через дроссель левой заглушки до выхода пиноли к правой заглушке, совмещая вращательное и поступательное движения борштанги с ее планетарным движением вокруг оси пиноли, а для обратного рабочего хода рабочую среду подают через дроссель правой заглушки.

Технический результат обеспечивается за счет новых приемов базирования пиноли непосредственно в обрабатываемом отверстии, что позволяет в дальнейшем обходиться без применения входного и выходного люнетов.

Сущность способа механической обработки глубокого отверстия в трубной заготовке заключается в том, что перед началом обработки на входе в глубокое отверстие трубной заготовки выполняют расточку длиной не менее длины пиноли. В области расточки базируют пиноль в исходном положении, после чего на торцы трубной заготовки устанавливают заглушки для создания единой герметичной полости. При осуществлении механической обработки глубокого отверстия в трубной заготовке рабочая среда подается через дроссели заглушек поочередно, обеспечивая прямой и обратный рабочие ходы. Во время прямого рабочего хода происходит совмещение вращательного и поступательного движения борштанги с ее планетарным движением вокруг оси пиноли.

Использование при данном движении борштанги в качестве режущего инструмента резцов фрезерной головки позволяет обеспечить надежное стружкоделение, что особенно важно при обработке легированных и подшипниковых сталей марки ШХ, лезвийная обработка которых сопровождается образованием сливной стружки, деление и стружкоотвод которых в ограниченном пространстве отверстия длинномерной трубной заготовки всегда связаны со значительными трудностями.

На фиг. 1 показано продольное сечение устройства для механической обработки глубокого отверстия в трубной заготовке, применяемое при осуществлении способа.

На фиг. 2 показана схема распределения общего припуска (Z_общ.) на обработку.

В способе механической обработки глубокого отверстия 1 в трубной заготовке 2, обработку осуществляют устройством, содержащем борштангу 3 с режущим инструментом 4, расположенную на эксцентричных подшипниках 5 в пиноли 6 с режущими зубьями 7 и дорнующими зубьями 8, содержащей переднюю крышку 9, заднюю крышку 10. На входе в глубокое отверстие 1 трубной заготовки 2 выполняют расточку 11 длиной не менее длины пиноли 6. Пиноль 6 базируют в исходном положении в расточке 11 перед включением подачи рабочей среды. По наружной поверхности на концах трубной заготовки 2 предварительно нарезают резьбу 12, с помощью которой на торцах трубной заготовки фиксируют левую 13 и правую 14 заглушки с дросселями 15. При этом образуется единая герметичная полость.

Для осуществления прямого рабочего хода до выхода пиноли 6 к правой заглушке 14, рабочую среду подают по трубопроводу 16 через дроссель 15 левой заглушки 13 в герметичную полость и далее через дроссель вращения 17 на турбину 18. При этом борштанга 3 осуществляет поступательное и вращательное движение, совмещая их с планетарным движением вокруг оси пиноли 6, выполняя растачивание, протягивание и дорнование глубокого отверстия 1. Для осуществления обратного рабочего хода, рабочую среду подают через дроссель 15 правой заглушки 14 до полного возврата пиноли 6 в исходное положение. При этом осуществляется повторное дорнование обрабатываемого глубокого отверстия 1.

Сброс рабочей среды от турбины 18 осуществлен через канал 19 в пиноли 6 на режущий инструмент 4 для его охлаждения и удаления стружки из зоны обработки.

Распределение общего припуска Z_общ. на обработку глубокого отверстия 1 осуществляют следующим образом (фиг. 2). Режущий инструмент 4, установленный впереди режущих зубьев 7, выполняет механическую обработку глубокого отверстия 1 с D_заг. начерно, снимая большую часть припуска (Z_черн.), чем достигают размера D_черн.. Затем режущие зубья 7, снимая припуск Z_{получист.}, увеличивают его размер до получистового диаметра (D_{получист.}), необходимого для поверхностной пластической деформации (ППД) дорнующими зубьями 8. Этим приемом устраняют погрешности формы глубокого отверстия 1 после черновой механической обработки, возникающие от износа режущего инструмента 4, деформации пиноли 6 и погрешности наладки. После этого дорнующие зубья 8 калибруют глубокое отверстие 1, снимая остатки припуска (Z_чист.) в окончательный чистовой размер D_чист. на всей длине заготовки до выхода в исходное положение.

Когда одновременно с продольной подачей рабочую среду подают через дроссель 17 в задней крышке 10 на турбину 18, создавая крутящий момент на борштанге 3 и усилие резания на режущем инструменте 4, совмещая по времени продольную подачу пиноли 6 и планетарное вращение борштанги 3 (V_б), осуществляются процессы последовательного вихрефрезерования и режуще-деформирующего прошивания глубокого отверстия 1. Вращением режущего инструмента 4 вокруг своей оси со скоростью V_p.и.<V_б. выполняют в обрабатываемом глубоком отверстии 1 съем общего припуска Z_общ. (фиг. 2) методом вихрефрезерования и поверхностную пластическую деформацию ППД, одновременно базируясь по обрабатываемой поверхности своими дорнующими зубьями 8 с натягом. При этом натяг обеспечивает жесткость базирования пиноли 6 и, соответственно, точность обработки. Давление подаваемой рабочей среды сохраняют постоянным, сначала на протяжении прямого рабочего хода, а затем на протяжении обратного рабочего хода.

Таким образом, обеспечиваются новые приемы заявленного способа при осуществлении механической обработки большой номенклатуры трубных заготовок различающихся диаметров глубоких отверстий. Они обеспечивают сокращение производственных площадей за счет исключения необходимости изготовления люнетов и, соответственно, уменьшения производственных площадей, ранее занимаемых под хранение и поддержание их в работоспособном состоянии (ремонта), а также удобство при осуществлении обработки, сокращение сроков подготовки производства при сохранении гибкости (быстрой переналадки производства длинномерных труб на выпуск трубных заготовок другого ассортимента).

Пример. Растачивание глубоких отверстий обсадных труб для бурового оборудования.

Обсадные трубы для бурового оборудования по техническим условиям уже имеют на концах необходимую для осуществления способа резьбу. Тогда, подготовка производства при использовании предлагаемого способа сводится только к предварительному выполнению расточки на входе в глубокое отверстие трубных заготовок на длину не менее длины пиноли l=(3-5)d, где d - диаметр растачиваемого глубокого отверстия, что выполнимо в условиях ремонтных мастерских. При этом в полной мере соблюдается условие жесткости расточной пиноли (см. Рябова К.Л. Влияние жесткости и геометрических параметров шпиндельного узла пиноли на точность растачивания соосных отверстий [Электронный ресурс] / Санинский В.А., Рябова К.Л., Платонова Ю.Н., Осадченко Е.Н. // Современные проблемы науки и образования: электрон. науч. журнал. - 2013. - №2).

Затем на торцах трубной заготовки устанавливают левую и правую заглушки с дросселями. Заглушки фиксируются посредством резьбовых поверхностей навинчиванием на предварительно нарезанную по наружной поверхности трубной заготовки резьбу. При этом создается единая герметичная полость, в которую для осуществления прямого рабочего хода через дроссель левой заглушки подают рабочую среду вплоть до выхода пиноли к правой заглушке, а для обратного рабочего хода через дроссель правой заглушки подают рабочую среду до полного выхода пиноли в расточку (исходное положение). Во время прямого рабочего хода происходит совмещение вращательного и поступательного движений борштанги с ее планетарным движением вокруг оси пиноли, а во время обратного рабочего хода осуществляется повторное дорнование глубокого отверстия.

В случае необходимости обработки трубных заготовок, не имеющих на концах необходимую для осуществления способа резьбу, ее нарезают предварительно.

Кроме уменьшения занимаемой производственной площади, в результате применения способа достигается высокое качество обработанной поверхности, точность обработки глубоких отверстий в длинномерных трубных заготовках и совмещение черновой и чистовой обработки обработанной поверхности трубной заготовки.

Таким образом, новый способ позволяет уменьшить производственную площадь за счет отсутствия люнетов в технологическом процессе обработки и ускорить сроки подготовки производства трубных заготовок за счет снижения ее времени, обусловленного экономией времени на изготовлении люнетов.