II. ПРОТЯЖКИ

Протягивание является одним из наиболее высокопроизводительных процессов обработки деталей резанием. Высокая производительность процесса протягивания объясняется тем, что одновременно находится в работе несколько зубьев инструмента с большой суммарной длиной режущих кромок. Исключение составляет протягивание деталей тел вращения, где это условие в большинстве случаев не соблюдается.

Протяжки позволяют получать поверхности высокой точности
(7...8-й квалитет) и низкой шероховатости (Ra 0,63...25 мкм). При
обработке отверстий протягивание с успехом заменяет зенкерование
и развертывание, а также чистовое растачивание.

При обработке наружных поверхностей по производительности;
точности и качеству обработанной поверхности протягивание во
многих случаях значительно эффективнее строгания, фрезерования,
а иногда и шлифования.

При правильной эксплуатации протяжки имеют высокую стойкость и долговечность. Однако протяжки — это сложный и дорогостоящий многолезвийный инструмент. Он узко специализирован для обработки одной или группы деталей с определенным контуром обрабатываемой поверхности, поэтому его применяют главным образом в массовом и крупносерийном произодстве. В мелкосерийном производстве протяжки используют лишь тогда, когда другим способом нельзя получить необходимую точность поверхности детали, например, многошпоночных и многошлицевых отверстий. Другой случай рентабельного применения протяжек в мелкосерийном производстве, когда формы обрабатываемых поверхностей и их размеры нормализованы.

Для некоторых видов поверхностей, таких как эвольвентные,
шлицевые, винтовые отверстия, протягивание является единственным методом их формообразования. Протягивание инструментами из быстрорежущей стали производится при сравнительно низких скоростях резания 3...8 м/мин, получаемых в результате поступательного или вращательного движения протяжки. Исключением является обработка деталей тел вращения, когда окружная скорость вращения деталей 25..35 м/мин.

При протягивании движения подачи, как такового нет, так как
у протяжки каждый последующий зуб имеет превышение по высоте
и ширине относительно предыдущего. Это превышение называется
подъемом зуба протяжки, которое определяет толщину срезаемого
слоя. Ширина срезаемого слоя будет равна длине режущей кромки.

Протяжки подразделяются на внутренние и наружные. Внутренние протяжки служат для обработки отверстий как простых цилиндрических, так и сложного профиля (шлицевых, эвольвентных, многогранных). Наружные протяжки применяют для обработки плоскостей и фасонных поверхностей на призматических деталях, а также цилиндрических и фасонных поверхностей на деталях тел вращения.

По конструкции протяжки бывают цельные и сборные. По схемам резания они различаются на одинарные (обычные) и групповые
(протяжки переменного резания). Протяжки чаще всего делают
комбинированными, выполняющими черновую и чистовую окончательную обработку. Однако в некоторых случаях протяжки изготовляют только с режущими или только с калибрующими или выглаживающими зубьями. Первые удаляют основной припуск под протягивание. Вторые имеют несколько чистовых и калибрующих зубьев, которые окончательно обрабатывают отверстие.

Выглаживающие или уплотняющие протяжки пластически уплотняют поверхностный слой металла при получении низких пара-
метров шероховатости обработанной поверхности. Обычно их применяют для изготовления только круглых отверстий.

В работе протяжки испытывают растягивающие усилия. Если
инструмент этого класса работает на сжатие, то он называется прошивкой. Для обеспечения продольной устойчивости длина прошивки
не должна превышать 15D. Прошивки по сравнению с протяжками
применяют редко.

Из всех разновидностей чаще всего применяют протяжки для
обработки круглых отверстий, поэтому ниже будут рассмотрены
основы проектирования именно этих протяжек. Основные положения проектирования круглых протяжек справедливы и для других
видов протяжных инструментов. Далее приведены особенности их
расчета и конструирования.

Протяжки для обработки круглых отверстий. Основными размерами цилиндрических отверстий, обрабатываемых протяжками, являются диаметр d = 5...80 мм, длина L = (3...5) d. Основные части протяжки показаны на рис. 2.1.

Хвостовик служит для закрепления протяжки в патроне станка.
Хвостовик делается под патрон с клиновым креплением и под
быстродействующий патрон с автоматическим креплением. В хвостовике первой разновидности делается продолговатое отверстие,
в которое через патрон вставляют клин, удерживающий протяжку
в работе. Такое крепление неэффективно, поэтому его редко применяют на практике. Достоинством хвостовика с круговой выточкой
являются быстрота закрепления и раскрепления протяжки, простота
изготовления, достаточно высокая прочность.

Диаметр хвостовика d₁ = d₀ - (0,5...1), мм, где d₀ — диаметр
предварительно подготовленного отверстия. Длина хвостовика l₁ = (2...5) d₁, здесь меньший коэффициент принимается для больших протяжек. Диаметр выточки d' = (0,7...0,8) d₁ Указанные размеры хвостовика должны быть согласованы с нормализованными значениями диаметров в соответствии с имеющимся на станке патроном. Допуск на диаметр хвостовика обычно принимают по посадке f9.

Рис. 2.1. Части цилиндрической протяжки:1 — хвостовик; 2 — шейка; 3 — переходный конус; 4 — передняя направляющая часть; 5 — режущая часть; б — калибрующая часть; 7 — концевое направление; 8 — опорная цапфа (для длинных н тяжелых протяжек); 9 — центровое отверстие, которое является базой дли изготовления н переточки протяжек

Для крепления шпоночных и подобных им протяжек применяют
призматические хвостовики, которые также выполняют под клиновое крепление и под кулачковые быстродействующие патроны (рис. 2.2).

При протягивании одного шпоночного паза или при одностороннем протягивании других поверхностей возникает внецентренное приложение нагрузки. Протяжка будет работать не только на растяжение, но и на изгиб. Для уменьшения изгибающего момента у призматических хвостовиков, показанных на рис. 2.2, б, в, паз необходимо располагать со стороны режущих зубьев протяжки. Хвостовик, показанный на рис. 2.2, а, сложнее в изготовлении, но имеет большую жесткость, и для случая протягивания двустороннего паза протяжка испытывает относительно меньшие напряжения, так как работает только на растяжение.

Шейка является вспомогательным элементом, связывающим хвостовик с направляющей и рабочей частями протяжки. Длина ее зависит от толщины стола и опорного кольца протяжного станка. Диаметр шейки d₂ равен или на 0,5...1 мм меньше диаметра хвостовика. Обычно на ней маркируют протяжку.

Переходный конус облегчает направление детали или протяжки
в момент входа направляющей части в отверстие. Его шлифуют, длина l₃= 10...25 мм с учетом диаметра протяжки.

Направляющая часть служит для центрирования обрабатываемого отверстия относительно оси протяжки, а также исключает перекос детали на протяжке.

Рис. 2.2. Призматические хвостовики

Рис. 2.3. Одинарная (а) переменная (б) схемы резания

Форма направляющей части должна соответствовать форме предварительно подготовленного отверстия. Диаметр направляющей части равен наименьшему диаметру подготовленного отверстия, т. е. d₄ = d_0min. Допуск на погрешность изготовления принимается по посадке f7. Длину направляющей части делают равной от 0,75 до 1 длины обрабатываемого отверстия.

Режущая часть протяжки является основной, которая срезает
необходимый металл в заготовке. Она состоит из черновых, получистовых и чистовых зубьев. Режущая часть протяжки определяется
схемой протягивания, параметрами срезаемого слоя, конструктивными элементами и геометрическими параметрами зубьев, числом
зубьев и длиной.

Под схемой резания при протягивании понимают картину постепенного изменения формы и размеров обрабатываемого отверстия
или способ распределения работы между режущими зубьями протяжки. Существуют две схемы резания при протягивании: одинарная и групповая, или переменного резания.

Одинарная, или обычная, схема — это схема, когда каждый режущий зуб срезает широкий b, но тонкий а слой (рис. 2.3, а). В этом
случае диаметр или высота каждого последующего зуба режущей
части протяжки больше предыдущего на определенную, обычно
постоянную величину, равную 2а или а.

Схема переменного резания такая, когда каждый режущий зуб
срезает короткий b₂, но толстый слой а₂. Режущая часть протяжки
конструируется так, что она состоит из нескольких групп зубьев
разного диаметра или разной высоты, а каждая группа имеет несколько зубьев (2...5) одного диаметра или одной высоты (рис. 2.3, б). Здесь цифрами 1...3 обозначены режущие зубья одной группы, лежащие на одном диаметре, кроме последнего, т. е. третьего. Срезаемые слои с параметрами а₂ и b₂ обозначены соответственно теми же цифрами.

Выкружки на зубьях делаются так, чтобы площадь, срезаемая
каждым зубом данной группы, была одинаковая. Последний зуб
третьей группы без выкружки, сплошной. Он срезает слои не сплошь
по всей окружности, а то, что осталось не срезанным первыми двумя
зубьями (на рисунке незаштрихованный слой). Его диаметр на 0,02...0,04 мм меньше диаметра предыдущих зубьев данной группы. Делается это для того, чтобы исключить резание зубом по всей длине окружности. Такое явление может возникать при уменьшении диаметра отверстия за счет упругих деформаций после прохода предыдущих зубьев этой группы.

Рис. 2.4. Многогранные зубья групповой протяжки

Формообразование профиля отверстия по схеме переменного
резания производится последовательным или генераторным методом, при котором контур поверхности формируется по участкам последовательно режущими кромками различных зубьев.

При одинарной схеме резания поверхность образуется, как правило, методом подобия или профильным, когда контур режущей кромки каждого зуба подобен профилю окончательно обработанного отверстия (поверхности).

Чем больше число зубьев в группе, тем круговые вырезы получаются более длинными и глубокими. Когда число зубьев в группе больше трех, то выкружки можно заменить плоскостями. Тогда каждый зуб в группе, кроме последнего, будет представлять многогранник, повернутый относительно другого на некоторый угол (рис. 2.4). Для z_р = 4 угол θ = 30°. Такие многогранные зубья легче изготовить, их плоскости шлифуются напроход. На последнем зубе группы лыска не снимается. Он остается круглым, но срезает площадь такую же, как и каждый предыдущий зуб данной группы.

В соответствии со схемами резания существуют также и протяжки одинарного резания и группового, или переменного, резания. Протяжки переменного резания имеют ряд преимуществ по сравнению с протяжками одинарного резания.

1. Чем больше толщина срезаемого слоя, тем меньше давление резания. Зависимость между толщиной срезаемого слоя и давлением резания показана на рис. 2.5. Давление резания р резко возрастает при толщине срезаемого слоя а < 0,025 мм. Такая толщина срезаемого слоя принимается при обработке отверстий из стали круглыми протяжками одинарного резания. Толщина срезаемого слоя протяжками переменного резания в несколько раз больше. Следовательно, давление резания будет значительно меньше, чем при работе протяжками одинарного резания.

Рис. 2.5. Зависимость давления резания от толщины срезаемого слоя

Рис. 2.6. Образование и геометрия стружкоразделительных канавок

При равной площади сечения срезаемого слоя протяжки переменного резания будут создавать меньшие силы резания, или при одинаковой силе ими можно срезать большую площадь. Конструктивно это
скажется на уменьшении числа режущих зубьев, а следовательно, и длины протяжки.

2. Одинарные протяжки срезают тонкие слои, но большей ширины. При обработке отверстий образующуюся дугообразную стружку большей ширины трудно деформировать в кольцевой виток. Такой виток получается недостаточно плотным, он требует большего объема канавки для своего размещения. Поэтому увеличивается шаг между режущими зубьями протяжки, а следовательно, и ее длина.

Для лучшего свертывания стружки ее ширину уменьшают путем
прорезания на режущих кромках стружкоразделительных канавок,
которые располагаются на соседних зубьях в шахматном порядке.
Но в этом случае возникает определенный недостаток: канавки предыдущего зуба не срезают металл. В этом месте режущие кромки последующего зуба срезают двойную толщину слоя (см. рис. 2.3). В результате у укороченной, но дугообразной стружки создается ребро жесткости, которое затрудняет ее свертывание в плотный виток или спираль.

Протяжки переменного резания этого недостатка почти не имеют.
Короткая прямая стружка, имеющая большую, но постоянную толщину, равномерно деформируется при завивании и более плотно укладывается во впадине между зубьями. От этого относительная длина шага между режущими зубьями и длина режущей части протяжки уменьшаются на 30 % [2].

3. Стружкоразделительные канавки у протяжек одинарного резания наряду с положительными их функциями имеют существенный недостаток. Их прорезают дисковым кругом, ось которого перпендикулярна к оси протяжки. Протяжку в центрах устанавливают так, чтобы образовать задний угол на дне канавки, равный заднему углу на вершине зубьев. Для цельных круглых протяжек он обычно принимается 2—3й. В результате режущая кромка получается ломаной, ослабленной массивностью угловых участков (рис. 2.6).

В окрестности точек А создается повышенная тепловая напряженность, что ведет к более интенсивному изнашиванию зубьев. Кроме того, боковые задние углы α_б вспомогательных режущих кромок получаются очень малыми tgα_б = tgα·sinφ/2, что также способствует более интенсивному изнашиванию угловых режущих кромок. Для уменьшения этого отрицательного влияния угол профиля абразивного круга φ для канавок необходимо принимать не менее 90...100°.

Рис. 2.7. Образование выкружки

Для правильного образования канавок по всей ширине зуба протяжки размер К должен быть равен размеру В. В ряде случаев это сделать невозможно, так как круг может коснуться и срезать кромку следующего зуба. Когда К < В, то начиная от оси круга вправо в канавках создаются отрицательные задние углы по всему контуру. Это еще больше усиливает отрицательное влияние стружкоразделительных канавок на режущие свойства протяжек. На практике условия правильного образования канавок не всегда соблюдаются. Угол φ берется меньше 90°, шлифовальный круг быстро осыпается и теряет необходимую форму, правится он вручную с полукруглым'
профилем. В результате даже у новых (непереточенных) протяжек
боковые задние углы в точка А равны нулю или близки к этому.

Протяжки переменного резания почти не имеют этих недостатков. Массивность вершин зубьев у них больше. У многогранных зубьев задние углы по всему контуру равны а, а зубья с выкружками затачиваются по задней поверхности так, как показано на рис. 2.7. Здесь ось конического круга и ось протяжки лежат в одной плоскости. Боковые задние углы на выкружке получаются почти такими же, как и основной задний угол α = 3...4°. В результате стойкость протяжек группового резания получается в 2 раза выше
стойкости протяжек одинарного резания.

4. Толщина срезаемого слоя протяжками переменного резания
в 5...8 раз больше толщины срезаемого слоя протяжками одинарного
резания. Поэтому ими можно в ряде случаев обрабатывать отверстия,полученные после литья, ковки или штамповки. При этом режущие
кромки не будут работать по корке вследствие большой толщины
среза.

Благодаря перечисленным преимуществам протяжки переменного
резания являются более прогрессивными инструментами и все!
больше применяются в машиностроении, Итак, схемы резания опрен
деляют основные конструктивные параметры режущей части; диа-1
метр зубьев протяжки, число и шаг зубьев.

Диаметр (высота) режущих зубьев. Режущая часть состоит из
черновых, получистовых и чистовых зубьев. Для протяжек одинарного резания первый режущий зуб делается по форме подготовленного отверстия. Диаметр (высота) первого зуба равен номинальному диаметру (высоте) предварительно подготовленного отверстия (поверхности), т. е. D₁ < d₀. Диаметр первой группы зубьев у протяжек переменного резания D₁= d_o + 0,5а_г. Диаметр каждого последующего чернового зуба или группы черновых зубьев будет увеличиваться на две толщины срезаемого слоя для двусторонних протяжек, или высота каждого последующего зуба будет увеличиваться на одну
толщину срезаемого слоя для односторонних протяжек (типа шпоночных).

Так, для двусторонних протяжек

для односторонних протяжек

где а' = а — толщина срезаемого слоя для протяжек одинарного резания; а' = а_г — толщина для протяжек переменного резания; Н₁, Н₂, Н_h — высота зуба соответственно шпоночной или другой призматической протяжки, измеряемая от ее опорной плоскости.

Для устранения неровностей и других дефектов поверхностной
деформации, оставшихся после черновых зубьев, а также для более
плавного перехода режущих зубьев к калибрующим и для повышения равномерности протягивания после черновых выполняют получистовые и чистовые зубья или группы зубьев.

У протяжек одинарного резания число таких переходных зубьев
принимается от 2 до 5 в зависимости от формы, точности и шероховатости поверхности обработанного отверстия.

Большее число получистовых и чистовых зубьев делается для
обработки круглых отверстий.

Переходными зубьями удаляется припуск, равный толщине слоя,
срезаемого черновым зубом протяжки. Толщина срезаемого слоя
каждым переходным зубом уменьшается от первого к последнему.
Если рассмотреть три переходных зуба, то первый — получистовой срезает слой шириной а₁ = 0,5а, второй — чистовой — а₂ = 0,3а, третий — чистовой — а₃ = 0,2а.

При этом минимальная толщина слоя, срезаемая последним
чистовым зубом а₃, должна быть не менее 0,008...0,01 мм. При
меньших толщинах вследствие наличия радиуса скругления режу-
щей кромки слой режущей кромкой не срезается, а подминается и
вдавливается в обрабатываемую поверхность.

В соответствии с этим будут увеличиваться и диаметры или высоты получистового и чистовых зубьев. Диаметр последнего чистового зуба D = d_max при протягивании отверстий в вязких металлах тонкостенных деталей, когда происходит усадка отверстия, и D = d_max — 0,3δ при протягивании отверстий в толстостенных Деталях, для которых наблюдается разбивка отверстия, где d_max — наибольший диаметр протягиваемого отверстия; δ — допуск на изготовление отверстия.

Диаметр последнего чистового зуба можно принимать равным
номинальному диаметру обрабатываемого отверстия. Тогда усадка
или разбивка отверстия, а также допуск на погрешность его изготовления будут восприниматься и корректироваться калибрующими зубьями. На получистовых и чистовых зубьях стружкоразделительные канавки не делают.

Для протяжек группового резания обычно одну-две секции
выполняют получистовыми и одну-две секции, или три—пять зубьев,
чистовыми. Припуск на все переходные зубья принимается также равным толщине срезаемого слоя одной группой черновых зубьев. Первая получистовая секция или группа зубьев срезает толщину, равную 0,6а_г. Она имеет столько же зубьев, сколько их в каждой черновой группе. Обычно число чистовых зубьев в группе равно количеству черновых. Они также имеют выкружки, но диаметр их в группе одинаковый. Если же чистовые зубья выполнены кольцевыми, то они работают по одинарной схеме резания. Толщины срезаемого слоя каждым чистовым зубом, и их диаметры или высотные размеры определяются так же, как для чистовых зубьев одинарных протяжек. Стружкоразделительных канавок на них также нет.

Число черновых зубьев для протяжек одинарного резания

где А_ч — припуск на сторону, оставляемый под черновые зубья; А_ч = А — A₁ здесь А — общий припуск на сторону под протягивание; А_i — припуск на сторону, оставляемый под чистовые зубья. Как указывалось ранее, А₁ =а. Единица в формулу (2.1) добавляется потому, что первый зуб протяжек одинарного резания номинально не работает, его размер равен размеру предварительно подготовленного отверстия (поверхности).

В отличие от протяжек одинарного резания для групповых протяжек первая секция зубьев снимает половину толщины срезаемого
слоя, т. е. 0,5а_г. Поэтому для протяжек переменного резания число
черновых зубьев

,

где z_г — число зубьев в каждой группе; а_г — толщина слоя, срезаемого каждой группой зубьев; А'_ч — припуск на сторону, срезаемый черновыми зубьями без первой группы зубьев.

Отношение А_ч/а_г = n, т. е. равно числу черновых групп протяжки. Число получистовых и чистовых зубьев, как указывалось ранее,
для протяжек одинарного резания z_l = 2...5, а для протяжек переменного резания z₁ = z _г + (3...5).

Припуск под протягивание определяется профилем отверстия
или поверхности и зависит от их размеров. Он на основании экспериментальных исследований и производственного опыта определяется по нормативным таблицам НИИТавтопрома или по эмпирическим формулам. Для протяжек одинарного и переменного резания припуск одинаковый. Для круглых отверстий припуск под протягивание на диаметр (рис. 2.8) можно рассчитывать по уравнениям:

при подготовке отверстия сверлом

Рис. 2.8. Припуск под протягивание

при подготовке отверстия зенкерованием или растачиванием

где А_О — припуск под протягивание на диаметр; d — минимальный диаметр
обрабатываемого отверстия; l — длина протягиваемого отверстия; δ — допуск на изготовление отверстия.

Для шпоночных и шлицевых пазов, а также для многогранных
отверстий к найденному припуску по формулам (2.3) и (2.4) необходимо добавлять высоту пазов и высоту угловых элементов. Тогда диаметр отверстия, подготовленного под протягивание, d₀ = d_max —А₀, где d_max — d + (0,7...1) δ.

Толщина срезаемого слоя для протяжек одинарного резания
принимается небольшая. Она зависит от вида протяжек или протягиваемого отверстия и от обрабатываемого материала. В табл. 2.1 приведены толщины срезаемого слоя при обработке протяжками одинарного резания для наиболее употребительных типов протяжек и обрабатываемых материалов[3].

Толщина срезаемого слоя менее 0,010—0,015 мм нежелательна,
гак как она становится соизмеримой с радиусом скругления режу-
щей кромкп зуба. В этом случае процесс резания затрудняется,
режущая кромка не захватывает такую малую толщину слоя, кото-
рый подминается задней поверхностью и вдавливается в заготовку.
Обработанная поверхность упрочняется, получается наклепанной.
Вследствие этого давление резания резко возрастает, и при малых
значениях задних углов происходит интенсивное изнашивание
зубьев инструмента.

Большие значения толщины срезаемого слоя ограничиваются
илами резания, условиями размещения стружки во впадине между
зубьями, прочностью протяжки и качеством обработанной поверх-
ности.

Рис. 2.9. Элементы зубьев и канавок протяжки
Таблица 2.1.