Шпоночные прошивки из быстрорежущей стали

При изготовлении деталей с внутренними пазами под шпонку наиболее производительным способом считается использование специального инструмента, который называют протяжкой или прошивкой. За один рабочий ход такой инструмент формирует паз с высокой точностью и чистотой поверхности.

Это значительно быстрее, чем фрезерование или долбление, особенно когда речь идет о серийном выпуске продукции. Основное назначение данных приспособлений — обработка сквозных отверстий, где необходимо получить точный профиль.

Материалом для режущей части подобных протяжек чаще всего служат быстрорежущие стали. Их преимущество перед обычными инструментальными состоит в способности сохранять твердость при нагреве до 600–650 градусов Цельсия.

В нашей стране распространены марки Р6М5, Р18, а для особо прочных заготовок используют стали с добавлением кобальта, например Р6М5К5. Твердость после полной термической обработки находится в пределах HRC 63–66, что обеспечивает стойкость к износу на протяжении длительного времени.

Конструкция представляет собой длинный стержень, на котором последовательно нарезаны зубья, причем каждый последующий немного выше предыдущего. Эта разница в высоте называется подъемом на зуб и определяет толщину срезаемого слоя.

Для обычных конструкционных сталей подъем выбирают в диапазоне 0,02–0,08 миллиметра, а для чугуна или бронзы его можно увеличить до 0,1–0,15 миллиметра благодаря ломкой стружке. Передняя поверхность зуба имеет определенный угол, от которого зависит процесс стружкообразования: для вязких материалов его делают 15–20 градусов, для хрупких — около 5–10 градусов.

Задний угол на зубьях необходим для уменьшения трения о стенки уже обработанного паза. Обычно он не превышает 3–4 градусов, так как чрезмерное увеличение ослабляет режущую кромку.

Шаг зубьев, то есть расстояние между их вершинами, выбирают исходя из длины отверстия и физико-механических свойств обрабатываемого материала. От шага зависит, сколько зубьев одновременно находятся в контакте с деталью, что влияет на плавность хода и усилие резания.

Слишком малый шаг может вызвать вибрации, слишком большой — привести к перегрузке отдельных зубьев.

Для правильного позиционирования инструмента в начале и конце рабочего хода предусмотрены направляющие элементы. Передняя направляющая точно соответствует диаметру предварительно подготовленного отверстия и центрирует прошивку до того, как в работу вступят режущие зубья.

Задняя направляющая удерживает инструмент от перекоса в момент выхода последних зубьев из заготовки. Между режущей и калибрующей частями часто делают небольшой конус для плавного нарастания нагрузки.

Калибрующие зубья располагаются в конце режущей секции и имеют одинаковую высоту с последним режущим зубом. Их задача — зачистить поверхность и обеспечить точность размера паза.

Обычно таких зубьев бывает от трех до семи, и на них отсутствует подъем. Геометрия калибрующих зубьев несколько отличается: передний угол может быть уменьшен, а задний угол иногда выполняют равным нулю с узкой ленточкой для повышения износостойкости.

Нормативные требования к данному виду оснастки изложены в ГОСТ 17931–72 и ГОСТ 24818–81. Эти документы устанавливают допуски на ширину паза, его расположение относительно оси отверстия, а также предельные отклонения по прямолинейности и симметричности.

Шероховатость поверхности после обработки качественной прошивкой может составлять Ra 1,25–2,5 микрона при соблюдении оптимальных режимов резания. Точность размеров обычно соответствует квалитетам IT7–IT9.

Изготовление протяжек включает несколько технологических этапов. Сначала заготовку из быстрорежущей стали обтачивают на токарном станке, придавая ей приблизительную форму.

Затем на фрезерном оборудовании нарезают стружечные канавки и формируют профиль зубьев. Далее следует термическая обработка: закалка с высоким нагревом и многократный отпуск для снятия внутренних напряжений и достижения необходимой твердости.

Завершающий этап — шлифование передних и задних поверхностей зубьев на специализированных станках для получения точных углов и малой шероховатости.

В процессе эксплуатации инструмент неизбежно изнашивается. Признаками затупления служат увеличение шероховатости обработанной поверхности, появление блестящих полос на детали или характерный скрип.

Восстанавливают режущие свойства переточкой по передней поверхности, снимая слой металла толщиной 0,05–0,1 миллиметра. Проводить переточку желательно до появления выкрашиваний, иначе инструмент может быть безвозвратно испорчен.

Для разных материалов применяют соответствующие смазочно-охлаждающие жидкости. При работе со сталью и чугуном обычно используют эмульсии на основе минеральных масел, которые снижают трение и отводят тепло.

Для цветных металлов, таких как алюминий или латунь, необходимы специальные составы, предотвращающие налипание материала на режущие кромки. Подача СОЖ должна быть обильной и направленной точно в зону резания.

Скорость резания при прошивании для быстрорежущего инструмента составляет 2–8 метров в минуту. Меньшие значения выбирают для труднообрабатываемых и высокопрочных сталей, большие — для чугуна и цветных сплавов.

Усилие протягивания зависит от суммарной площади среза и может достигать десятков килоньютонов, поэтому станок должен обладать достаточной мощностью и жесткостью.

При проектировании прошивки длину режущей части определяют делением общего припуска на подъем на зуб. Например, для паза глубиной 5 миллиметров с подъемом 0,05 миллиметра потребуется 100 зубьев.

С учетом шага и калибрующей части общая длина инструмента может превысить метр. Длинные протяжки требуют особого внимания к прямолинейности, чтобы избежать прогиба под нагрузкой.

Иногда возникает необходимость получить шпоночный паз не по всей длине отверстия, а лишь на его участке. В таких случаях применяют прошивки с укороченной режущей частью или комбинированные схемы обработки.

Однако чаще всего пазы делают сквозными, так как инструмент работает на проход. Глухие пазы формируют другими методами, например, долблением.

Одна из распространенных проблем — образование наростов на передней поверхности зубьев при обработке вязких сталей. Это происходит из-за недостаточной скорости или неправильной геометрии.

Нарост ухудшает качество поверхности и может привести к поломке зуба. Устраняют это увеличением переднего угла, повышением скорости резания и применением СОЖ с противозадирными присадками.

Вибрации при протягивании возникают из-за неравномерного контакта зубьев с заготовкой. Причина может крыться в совпадении шага зубьев с длиной отверстия, что вызывает резонанс.

В таких случаях подбирают переменный шаг или изменяют форму стружечных канавок. Современные производители иногда оснащают прошивки демпфирующими элементами, но для быстрорежущего инструмента это редкость.

На производстве быстрорежущие прошивки остаются незаменимыми благодаря универсальности. Они способны обрабатывать пазы шириной от 3 до 50 миллиметров и более в зависимости от типоразмера.

Допустимая глубина паза ограничена прочностью зуба и жесткостью системы. При аккуратной эксплуатации и своевременных переточках одна прошивка может выдержать десятки тысяч деталей.

Качество заточки напрямую влияет на стойкость. После переточки проверяют радиальное биение зубьев, которое не должно превышать 0,02 миллиметра.

Передняя поверхность должна быть полированной, так как любые риски становятся концентраторами напряжений и вызывают сколы. В последнее время применяют покрытия из нитрида титана, наносимые методом PVD, которые повышают износостойкость в 2–3 раза.

Выбирая прошивку для конкретной операции, учитывают не только материал детали, но и тип производства. В мелкосерийном можно использовать универсальные инструменты с переточкой под разные размеры, а в массовом предпочтительнее специальная оснастка, оптимизированная под конкретную деталь.

Чертеж прошивки обязательно согласуют с технологами, чтобы предусмотреть все особенности базирования и припусков.

Хранить протяжки следует в подвесах или футлярах, исключающих соприкосновение зубьев с твердыми предметами. Даже небольшое замятие способно испортить инструмент, так как восстановить геометрию без нарушения шага сложно.

В цехах для этого выделяют отдельные стеллажи.

При работе с крупными партиями полезно вести журнал учета стойкости каждой прошивки. Записывая количество обработанных деталей между переточками, можно выявить оптимальный момент для восстановления и избежать внезапного выхода из строя.

Часто нестабильная работа связана с некачественной подготовкой отверстия. Оно должно быть обработано с минимальным отклонением от номинала, чтобы направляющая часть точно вошла без перекоса.

Рекомендуется зенкерование или развертывание после сверления, обеспечивающее шероховатость не ниже Ra 3,2. Фаски на входе обязательны, иначе первый зуб может сколоться о кромку.

Состояние станка также важно: направляющие должны быть отрегулированы, люфты отсутствовать. Любое биение немедленно передается на инструмент и может вызвать поломку.

Периодическая проверка параллельности стола и направления движения ползуна помогает избежать брака.

В итоге грамотное использование быстрорежущих прошивок, основанное на знании их конструкции, правильном подборе режимов и бережном отношении, обеспечивает стабильное качество продукции и низкую себестоимость обработки. При возникновении сомнений всегда можно обратиться к справочной литературе или опыту станочников.