Расточка отверстий одноточечным инструментом

Введение

Процесс увеличения уже просверленного отверстия с помощью одноточечного режущего инструмента.

В машиностроении, расточка – это процесс увеличения отверстия, которое уже было просверлено (или отлито) с помощью одноточечного режущего инструмента (или расточной головки, содержащей несколько таких инструментов), например, при расточке ствола огнестрельного оружия или цилиндра двигателя. Расточка используется для достижения большей точности диаметра отверстия и может применяться для обработки конических отверстий. Расточку можно рассматривать как операцию, аналогичную точению, но предназначенную для обработки внутренних диаметров вместо внешних. Существуют различные виды расточки. Расточной вал может опираться на оба конца (что возможно только при сквозном отверстии) или на один конец (что подходит как для сквозных, так и для глухих отверстий). Расточка с направляющей (линейная расточка) подразумевает использование опоры на оба конца. Проходная расточка – это процесс, при котором инструмент проходит через существующее отверстие и обрабатывает поверхность заготовки с противоположной стороны относительно шпинделя станка. Из-за ограничений в конструкции инструмента, обусловленных тем, что заготовка в основном окружает инструмент, расточка, как правило, сложнее точения с точки зрения снижения жесткости закрепления инструмента, увеличения требований к углу наклона режущей кромки (что ограничивает возможность ее поддержки) и затрудненности контроля качества обработанной поверхности (размер, форма, шероховатость). Именно поэтому расточка рассматривается как отдельная область обработки, отличная от точения, со своими особенностями, приемами, проблемами и накопленным опытом, несмотря на определенное сходство между ними. Первый расточной станок был изобретен Джоном Уилкинсоном в 1775 году. Расточка и точение имеют абразивные аналоги в виде внутреннего и внешнего цилиндрического шлифования. Выбор конкретного процесса определяется требованиями и параметрами конкретного применения.

Используемые станки

Процесс расточки может выполняться на различных станках, включая (1) универсальные станки, такие как токарные станки (/токарно-винторезные станки) или фрезерные станки (/обрабатывающие центры), и (2) станки, предназначенные для специализации на расточке как основной функции, такие как прецизионные расточные станки и расточные станки или расточно-фрезерные станки, которые включают вертикально-расточные станки (деталь вращается вокруг вертикальной оси, в то время как расточной брусок/головка перемещается линейно; по сути, вертикальный токарный станок) и горизонтально-расточные станки (деталь располагается на столе, в то время как расточной брусок вращается вокруг горизонтальной оси; по сути, специализированный горизонтальный фрезерный станок).

Мельница и фрезерные станки

Размеры между деталью и режущим инструментом могут быть изменены по двум осям для обработки как вертикально, так и горизонтально внутренней поверхности. Режущий инструмент обычно однолезвийный, изготовленный из быстрорежущей стали M2 и M3 или твердого сплава P10 и P01. Коническое отверстие можно получить, одновременно подавая режущую кромку в радиальном и осевом направлениях. Расточные станки выпускаются в широком диапазоне размеров и конструкций. Расточные операции на небольших деталях могут выполняться на токарном станке, а на более крупных – на расточно-фрезерных станках. Детали обычно имеют диаметр, но могут достигать в диаметре. Потребляемая мощность может составлять до. Охлаждение отверстий осуществляется через полый канал в расточном стержне, по которому свободно циркулирует охлаждающая жидкость. Диски из вольфрамового сплава герметично закреплены в стержне для подавления вибраций и дребезжания при расточке. Системы управления могут быть компьютерными, что обеспечивает автоматизацию и повышение стабильности. Поскольку расточка предназначена для уменьшения допусков на уже существующие отверстия, необходимо учитывать ряд конструктивных особенностей. Во-первых, нежелательны большие соотношения длины отверстия к его диаметру из-за прогиба режущего инструмента. Во-вторых, предпочтительны сквозные отверстия по сравнению со слепыми (отверстиями, не проходящими насквозь через деталь). Следует избегать прерывистых внутренних рабочих поверхностей, где режущий инструмент и поверхность имеют непостоянный контакт. Расточной стержень – это выступающая консоль станка, удерживающая режущий инструмент (или инструменты), и он должен быть очень жестким. Из-за вышеуказанных факторов глубокое сверление и глубокая расточка являются сложными задачами, требующими специального инструмента и технологий. Тем не менее, разработаны технологии, позволяющие получать глубокие отверстия с высокой точностью. В большинстве случаев они включают в себя несколько режущих кромок, расположенных диаметрально противоположно, силы отклонения которых компенсируют друг друга. Обычно также предусматривается подача режущей жидкости под давлением через инструмент к отверстиям вблизи режущих кромок. Бурение пушечными сверлами и расточка пушечных стволов являются классическими примерами. Изначально разработанные для изготовления стволов огнестрельного оружия и артиллерии, эти методы обработки сегодня широко используются в производстве во многих отраслях промышленности. В системах ЧПУ доступны различные фиксированные циклы для расточки. Это предварительно запрограммированные подпрограммы, которые перемещают инструмент последовательными проходами: резка, отвод, подача, резка, отвод, возврат в исходное положение и так далее. Они вызываются с помощью G-кодов, таких как G76, G85, G86, G87, G88, G89, а также других, менее распространенных кодов, специфичных для конкретных производителей систем управления или станков.

The dimensions between the piece and the tool bit can be changed about two axes to cut both vertically and horizontally into the internal surface. The cutting tool is usually single point, made of M2 and M3 high speed steel or P10 and P01 carbide. A tapered hole can be made by simultaneously feeding the cutting edge in both the radial and axial directions. Boring machines come in a large variety of sizes and styles. Boring operations on small workpieces can be carried out on a lathe while larger workpieces are machined on boring mills. Workpieces are commonly in diameter, but can be as large as Power requirements can be as much as Cooling of the bores is done through a hollow passageway through the boring bar where coolant can flow freely. Tungsten alloy disks are sealed in the bar to counteract vibration and chatter during boring. The control systems can be computer based, allowing for automation and increased consistency. Because boring is meant to decrease the product tolerances on pre existing holes, several design considerations apply. First, large length to bore diameters are not preferred due to cutting tool deflection. Next, through holes are preferred over blind holes (holes that do not traverse the thickness of the work piece). Interrupted internal working surfaces—where the cutting tool and surface have discontinuous contact—are preferably avoided. The boring bar is the protruding arm of the machine that holds the cutting tool(s), and must be very rigid. Because of the factors just mentioned, deep hole drilling and deep hole boring are inherently challenging areas of practice that demand special tooling and techniques. Nevertheless, technologies have been developed that produce deep holes with impressive accuracy. In most cases they involve multiple cutting points, diametrically opposed, whose deflection forces cancel each other out. They also usually involve delivery of cutting fluid pumped under pressure through the tool to orifices near the cutting edges. Gun drilling and cannon boring are classic examples. First developed to make the barrels of firearms and artillery, these machining techniques find wide use today for manufacturing in many industries. Various fixed cycles for boring are available in CNC controls. These are preprogrammed subroutines that move the tool through successive passes of cut, retract, advance, cut again, retract again, return to the initial position, and so on. These are called using G codes such as G76, G85, G86, G87, G88, G89; and also by other less common codes specific to particular control builders or machine tool builders.

Стержни

Расточка на токарном станке – это режущая операция, выполняемая одноточечным режущим инструментом или расточным головой для получения конических или цилиндрических поверхностей путем увеличения существующего отверстия в заготовке. Для получения отверстий без конуса режущий инструмент перемещается параллельно оси вращения. Для получения конических отверстий режущий инструмент перемещается под углом к оси вращения. С помощью расточных операций можно создавать геометрии от простых до чрезвычайно сложных в различных диаметрах. Расточка – одна из основных операций на токарном станке, наряду с точением и сверлением. Обычно для расточки требуется закрепление заготовки в патроне и ее вращение. По мере вращения заготовки расточной брусок с режущей вставкой на конце подается в существующее отверстие. При контакте режущего инструмента с заготовкой образуется стружка. В зависимости от типа используемого инструмента, материала и скорости подачи стружка может быть сплошной или отрезками. Образованная поверхность называется отверстием (расточкой). Геометрия, получаемая при расточке на токарном станке, обычно бывает двух типов: прямые и конические отверстия. При необходимости к каждому отверстию могут быть добавлены различные диаметры. Для получения конуса инструмент может подаваться под углом к оси вращения, либо одновременно могут выполняться подача и осевое перемещение. Прямые отверстия и зенковки создаются путем перемещения инструмента параллельно оси вращения заготовки. Четыре наиболее часто используемых приспособления для закрепления заготовки – это трехкулачковый патрон, четырехкулачковый патрон, цанговый патрон и лицевая плита. Трехкулачковый патрон используется для закрепления круглых или шестигранных заготовок, поскольку заготовка автоматически центрируется. На этих патронах есть ограничения по биению; на современных моделях станков с ЧПУ оно может быть довольно низким при отличных условиях, но традиционно обычно составляет не менее 0,001–0,003 дюйма (0,025–0,075 мм). Четырехкулачковый патрон используется либо для закрепления заготовок неправильной формы, либо для закрепления круглых или шестигранных заготовок с очень низким биением (с затратами времени на юстировку и зажим каждой детали), в обоих случаях благодаря его независимому действию на каждую кулачку. Лицевая плита также используется для заготовок неправильной формы. Цанговые патроны сочетают в себе самоцентрирующее зажатие с низким биением, но они дороже.

Lathe boring is a cutting operation that uses a single point cutting tool or a boring head to produce conical or cylindrical surfaces by enlarging an existing opening in a workpiece. For nontapered holes, the cutting tool moves parallel to the axis of rotation. For tapered holes, the cutting tool moves at an angle to the axis of rotation. Geometries ranging from simple to extremely complex in a variety of diameters can be produced using boring applications. Boring is one of the most basic lathe operations next to turning and drilling. Lathe boring usually requires that the workpiece be held in the chuck and rotated. As the workpiece is rotated, a boring bar with an insert attached to the tip of the bar is fed into an existing hole. When the cutting tool engages the workpiece, a chip is formed. Depending on the type of tool used, the material, and the feed rate, the chip may be continuous or segmented. The surface produced is called a bore. The geometry produced by lathe boring is usually of two types: straight holes and tapered holes. Several diameters can also be added to each shape hole if required. To produce a taper, the tool may be fed at an angle to the axis of rotation or both feed and axial motions may be concurrent. Straight holes and counterbores are produced by moving the tool parallel to the axis of workpiece rotation. The four most commonly used workholding devices are the three jaw chuck, the four jaw chuck, the collet, and the faceplate. The three jaw chuck is used to hold round or hex workpieces because the work is automatically centered. On these chucks the runout faces limitations; on late model CNCs, it can be quite low if all conditions are excellent, but traditionally it is usually at least .001 .003 in (0.025 0.075 mm). The four jaw chuck is used either to hold irregular shapes or to hold round or hex to extremely low runout (with time spent indicating and clamping each piece), in both cases because of its independent action on each jaw. The face plate is also used for irregular shapes. Collets combine self centering chucking with low runout, but they involve higher costs.

Ограничения

Для большинства операций расточки отверстий допуски, превышающие ±0,010 дюйма (±0,25 мм), легко выдерживаются. Допуски в диапазоне от этого значения до ±0,005 дюйма (±0,13 мм) обычно достигаются без особых затруднений или затрат, даже в глубоких отверстиях. Сложность возрастает при допуске между ±0,004 дюйма (±0,10 мм) и ±0,001 дюйма (±0,025 мм). В глубоких отверстиях с такими жесткими допусками ограничивающим фактором зачастую является геометрическое ограничение, а не ограничение по размеру. Иными словами, может быть легко удержать диаметр в пределах 0,002 дюйма в любой точке измерения, но сложно обеспечить цилиндричность отверстия в зоне, ограниченной этим допуском, на глубине, превышающей 5 диаметров отверстия (глубина измеряется как отношение диаметра к глубине). Для применений, требующих высокой точности, допуски обычно могут быть выдержаны в пределах ±0,0005 дюйма (±0,013 мм) только для неглубоких отверстий. В некоторых случаях допуска до ±0,0001 дюйма (±0,0038 мм) могут быть достигнуты в неглубоких отверстиях, но это дорого, поскольку 100%-ный контроль и отбраковка несоответствующих деталей увеличивают стоимость. Шлифование, хонингование и полирование применяются, когда достигнуты пределы повторяемости и точности расточки. Шероховатость поверхности после расточки может варьироваться от 8 до 250 микродюймов, типичный диапазон – от 32 до 125 микродюймов. Иногда детали требуют более высокой точности формы и размера, чем может обеспечить расточка. Например, даже при оптимизированной расточке разброс диаметра по разным участкам отверстия редко бывает меньше 3 микрометра (0,0001 дюйма, "десятая"), и он может легко достигать 5–20 микрометров (0,0002–0,0008 дюйма, "2–8 десятых"). Конусность, отклонение от округлости и отклонение от цилиндричности такого отверстия, хотя и считаются незначительными для большинства деталей, могут быть неприемлемы для некоторых применений. Для таких деталей типичной последующей операцией является внутреннее цилиндрическое шлифование. Часто деталь подвергается черновому и полуфинишному обработке, затем термообработке и, наконец, финишной обработке внутренним цилиндрическим шлифованием. Ограничения расточки с точки зрения геометрической точности (формы, положения) и твердости заготовки сокращаются в последние десятилетия по мере развития технологий обработки. Например, новые марки карбидных и керамических режущих пластин повысили точность и качество поверхности, которые можно достичь без шлифования, и расширили диапазон обрабатываемых значений твердости заготовки. Однако работа с допусками всего в несколько микрометров (несколько десятых) вынуждает производственный процесс рационально учитывать и компенсировать тот факт, что ни одна реальная заготовка не является идеально жесткой и неподвижной. Каждый раз, когда выполняется резка (независимо от ее величины) или происходит изменение температуры на несколько сотен градусов (независимо от его продолжительности), заготовка или ее часть, скорее всего, деформируется, даже если перемещение чрезвычайно мало. В некоторых случаях перемещение доли микрометра в одной области усиливается как рычаг, создавая позиционную ошибку в несколько микрометров для элемента заготовки, находящегося на расстоянии нескольких дециметров. Именно такие факторы иногда исключают финишную обработку расточкой и точением в пользу внутреннего и внешнего цилиндрического шлифования. В крайнем случае, даже совершенствование обработки или шлифования может оказаться недостаточным, когда, несмотря на то, что деталь соответствует допуску при изготовлении, она деформируется и выходит за пределы допуска в последующие дни или месяцы. В таких случаях инженеры стремятся найти другие материалы для заготовки или альтернативные конструкции, которые не так сильно зависят от неподвижности элементов детали в микро- или наномасштабе.

For most lathe boring applications, tolerances greater than ±0.010 in (±0.25 mm) are easily held. Tolerances from there down to ±0.005 in (±0.13 mm) are usually held without especial difficulty or expense, even in deep holes. Tolerances between ±0.004 in (±0.10 mm) and ±0.001 in (±0.025 mm) are where the challenge begins rising. In deep holes with tolerances this tight, the limiting factor is just as often the geometric constraint as the size constraint. In other words, it may be easy to hold the diameter within .002" at any diametrical measurement point, but difficult to hold the cylindricity of the hole to within a zone delimited by the .002" constraint, across more than 5 diameters of hole depth (depth measured in terms of diameter:depth aspect ratio). For highest precision applications, tolerances can generally be held within ±0.0005 in (±0.013 mm) only for shallow holes. In some cases tolerances as tight as ±0.0001 in (±0.0038 mm) can be held in shallow holes, but it is expensive, with 100% inspection and loss of nonconforming parts adding to the cost. Grinding, honing, and lapping are the recourse for when the limits of boring repeatability and accuracy have been met. Surface finish (roughness) in boring may range from 8 to 250 microinches, with a typical range between 32 and 125 microinches. Sometimes a part may require higher accuracy of form and size than can be provided by boring. For example, even in optimized boring, the amount that the diameter varies on different portions of the bore is seldom less than 3 micrometre (.0001 inches, "a tenth"), and it may easily be 5 to 20 micrometre (.0002 .0008 inches, "2 to 8 tenths"). Taper, roundness error, and cylindricity error of such a hole, although they would be considered negligible in most other parts, may be unacceptable for a few applications. For such parts, internal cylindrical grinding is a typical follow up operation. Often a part will be roughed and semifinished in the machining operation, then heat treated, and finally, finished by internal cylindrical grinding. The limitations of boring in terms of its geometric accuracy (form, position) and the hardness of the workpiece have been shrinking in recent decades as machining technology continues to advance. For example, new grades of carbide and ceramic cutting inserts have increased the accuracy and surface quality that can be achieved without grinding, and have increased the range of workpiece hardness values that are workable. However, working to tolerances of only a few micrometres (a few tenths) forces the manufacturing process to rationally confront, and compensate for, the fact that no actual workpiece is ideally rigid and immobile. Each time a cut is taken (no matter how small), or a temperature change of a few hundred degrees takes place (no matter how temporary), the workpiece, or a portion of it, is likely to spring into a new shape, even if the movement is extremely small. In some cases a movement of a fraction of a micrometre in one area is amplified in lever fashion to create a positional error of several micrometres for a feature of the workpiece several decimetres away. It is factors such as these that sometimes preclude finishing by boring and turning as opposed to internal and external cylindrical grinding. At the extreme, no perfection of machining or grinding may be enough when, despite the part being within tolerance when it is made, it warps out of tolerance in following days or months. When engineers are confronted with such a case, it drives the quest to find other workpiece materials, or alternate designs that avoid relying so heavily on the immobility of part features on the micro or nano scales.