Пробивно-разстъргващи машини и инструменти

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 9/2020 • 06.01.2021

Разстъргването, наречено още вътрешно струговане, е обработваща операция, прилагана за разширяване диаметъра на цилиндричен отвор в обработвания детайл. Самият отвор се създава посредством пробивна машина (общо металорежещо оборудване като фрези или стругове с ЦПУ, както и пробивни преси или щанци) или като отвор за избиване на сърце в отливка. Пробивно-разстъргващите операции изпълняват най-общо три задачи – промяна на размера на отвор, изправяне на отвора и осигуряване на концентричност с външния диаметър. Те се извършват посредством стационарни или преносими разстъргващи машини (борверк машини).
При разстъргване цилиндричният отвор добива желания диаметър и финишно качество. 

Стандартното пробиване и райбероването са достатъчни за пробиването на стандартни отвори или се прилагат със специализирана инструментална екипировка, за да се получи желаният диаметър. Инструментите за разстъргване навлизат аксиално в съществуващия отвор на обработвания детайл и режат по вътрешната му повърхност, за да увеличат диаметъра му. Посредством фина настройка на скоростта и подаването на рязане и радиуса на върха на инструмента се постига и желаното крайно качество на обработваната повърхност. Борщангата е инструмент, който се състои от центриращо свредло и закрепен успоредно на него движещ се по направлението на рязане режещ елемент. С помощта на специални борщанги с микронастройка могат да бъдат изработвани и прецизни отвори.

Разстъргването служи и за изправяне на оригиналния пробит или отлят отвор. Свредлата, особено по-дългите, проявяват тенденция да се отклоняват от центъра и да режат под лек ъгъл поради ексцентрични сили върху свредлото, случайни по-твърди зони в материала или неравномерно заточване на инструмента. Отворите в отливки пък почти никога не са напълно прави и центрирани. Движението на свредлото и режещият елемент на разстъргващия нож в правилното направление на рязане извършват корекция на тези допуски и грешки.

Основно предимство на отворите, изработени чрез разстъргване, е тяхната концентричност спрямо външния диаметър в диапазона на точност на патронника или съответното захващащо устройство. За най-добра концентричност струговането на външния диаметър на изделието и разстъргването на вътрешния се извършват в една установка, без междинно местене на заготовката.

 

Пробивно-разстъргващи операции

Изборът на инструмент при вътрешно струговане или разстъргване до голяма степен е ограничен от дълбочината и диаметъра на съществуващия отвор. Общовалидно правило, което се отнася до всички режещи и обработващи операции, е да се избегне т. нар. надвисване или прекомерно показване на инструмента от отвора, тъй като съществува риск от влошаване на стабилността и точността на рязане. При разстъргването дълбочината на отвора и дължината на инструмента определят тази разлика. Стабилността частично се подобрява при използването на инструмент с по-голям диаметър, но дори тогава възможностите са ограничени, тъй като пространството, освободено от диаметъра на отвора в детайла, трябва да се вземе предвид по отношение на стружкоотвеждането и радиалните движения.

Геометрията на режещите пластини при разстъргване е от решаващо значение за качеството на обработка и крайния резултат. Положителните геометрии се характеризират и с положителни предни ъгли (rake angle). Ъгълът на режещия ръб (edge angle) и задният ъгъл (clearance angle) на вложката заедно се равняват на стойност, по-малка от 90 градуса. Положителният преден ъгъл предполага по-ниска тангенциална сила на рязане. Такъв ъгъл обаче може да бъде постигнат за сметка на задния ъгъл или ъгъла на режещия ръб. Ако задният ъгъл е малък, възниква риск от абразивно износване между инструмента и детайла, а триенето може да причини и вибрации. В случаите, когато предният ъгъл е голям, а ъгълът на режещия ръб – малък, се получава по-остър режещ ръб. Острият режещ ръб прониква по-лесно в материала, но също така по-лесно се формоизменя или поврежда от неравномерно износване. Износването на ръбовете означава, че геометрията на вложката се е променила, което води до намаляване на задния ъгъл. Необходимото качество на повърхностна обработка на детайла определя кога трябва да се смени вложката.

Ъгълът между страничния режещ ръб на вложката и равнина, перпендикулярна на повърхността на детайла (lead angle), влияе на аксиалната и радиалната посока на режещите сили. Ако този ъгъл е малък, се създава голяма аксиална сила на рязане, докато, ако е голям, по-голяма е силата на рязане в радиално направление.

Аксиалната сила на рязане има минимален отрицателен ефект върху качеството на обработка, тъй като силата е насочена по дължината на разстъргващия нож или борщангата. За да се избегнат вибрации, е препоръчително да се избере малък ъгъл, но тъй като той влияе и върху други фактори като дебелината на стружката и посоката на потока стружки, често е наложително с това да се направи компромис. Основният недостатък на малкия ъгъл между страничния режещ ръб на вложката и равнина, перпендикулярна на повърхността на детайла, е, че силите на рязане са разпределени върху по-къс участък от режещия ръб, отколкото при по-голям такъв ъгъл. Освен това режещият ръб е изложен на рязко натоварване и освобождаване от действащите сили при влизане и излизане от детайла. Тъй като разстъргването се извършва в предварително обработен отвор и се счита за лека обработка, малките ъгли между страничния режещ ръб на вложката и перпендикулярна на повърхността на детайла равнина обикновено не създават проблем. Обикновено са допустими стойности от 15 градуса или дори по-малко. Въпреки това, при ъгъл от 15 градуса радиалната сила на рязане ще бъде почти двойно по-голяма от тази на режещата сила при 0 градуса.

Важен параметър е и радиусът на върха на вложката, тъй като той също влияе върху разпределението на режещите сили. Колкото по-голяма е стойността му, толкова по-големи са радиалните и тангенциални режещи сили и следователно – толкова по-висок е рискът от възникване на вибрации.

 

Стружкоотвеждане

Получаването на относително къси спираловидни стружки е основна цел при вътрешното струговане. Такъв тип стружки са лесни за отвеждане и не оказват толкова голямо напрежение върху режещия ръб при стружкоотделяне. Т. нар. твърдо стружкочупене, при което се оформят къси стружки, изисква голяма мощност и може да породи вибрации в разстъргващия инструмент. Все пак този метод е предпочитан пред отнемането на материал на дълги стружки, които биха затруднили стружкоотвеждането. Процесът на стружкочупене се повлиява от голям брой фактори, включително геометрията на режещата вложка, радиуса на върха й, ъгъла между страничния режещ ръб на инструмента и перпендикулярна на повърхността на детайла равнина, дълбочината на рязане, подаването и скоростта. Най-общо, по-малко подаване или по-голяма скорост на рязане способстват за по-дълги стружки. Формата на стружкочупещия инструмент играе водеща роля при определяне радиуса на стружката, като всяко наслояване по ръба или вдлъбнатина върху предната повърхнина може също да окаже влияние върху процеса. Посоката на отвеждане на стружките и спираловидното им движение се повлияват от ъгъла между страничния режещ ръб на вложката и перпендикулярна на повърхността на детайла равнина или от комбинацията на дълбочината на рязане и радиуса на върха на инструмента. Параметрите, които имат значение при управлението на стружкоотделянето, са важни и по отношение на посоката и големината на режещата сила. В този смисъл е препоръчително да се избере режещ инструмент от подходящ материал и с правилна геометрия, за да е възможно (в комбинация с правилните параметри на механична обработка) ефективно управление на стружкоотвеждането. Същевременно е необходимо пробивно-разстъргващата машина, борщангата и приспособлението за закрепване на инструменталната екипировка да осигуряват достатъчна стабилност, която да балансира прилаганите сили на рязане.

По време на разстъргване стружкоотвеждането може да се окаже критично за процеса, особено в случаи, когато се обработват дълбоки отвори. Центробежната сила обикновено избутва стружките навън. При разстъргването обаче стружките остават в заготовката. Новите могат да набутат по-старите към вече обработената повърхнина и да влошат качеството й или да се сбият и да повредят режещия инструмент. Ето защо при разстъргващи операции се препоръчва използването на инструменти с вътрешно подаване на смазочно-охлаждащ флуид, който ефективно да промива отвора и да улесни стружкоотвеждането извън детайла. Вместо смазочно-охлаждаща течност може да бъде използван и сгъстен въздух, насочен през отворите. Така стружките биват продухвани през шпиндела и събирани в специални контейнери.

 

Специфики при обработката

В зависимост от геометрията на даден машинен детайл за изработката му може да се необходими както стругови, така и пробивно-разстъргващи операции.

Вътрешното едноточково струговане, познато в практиката като разстъргване, може да бъде прилагано както в качеството му на груба, така и на финишна обработка. Едноточковите борщанги обикновено се състоят от обло свредло с режещ елемент, предназначен да отнема материал от вътрешността на вече пробит отвор в една или повече стъпки. Ключът към висока производителност при разстъргващите операции е стабилността на разстъргващия инструмент – нож, борщанга, дорник и т. н. Тези инструменти обикновено се налага да работят на големи дълбочини в детайлите, което обаче традиционно компрометира стабилността на обработката, тъй като диаметърът на инструмента е ограничен от размера на отвора и необходимостта да се предвиди допълнителна хлабина за стружкоотвеждане. Практически допустимото надвисване на стоманените дорници е равно на четири пъти диаметъра на режещата им част. Когато това съотношение се надвиши, темпът на отнемане на материал при разстъргване се повлиява негативно поради влошена стабилност и повишен риск от вибрации.

Необходимо е да се отчете още един негативен фактор и това е потенциалното огъване на разстъргващия нож. То зависи от материала, от който е изработен, диаметъра на инструмента, надвисването и големината на радиалните и тангенциални режещи сили. Увеличаването на диаметъра на инструмента с цел генериране на по-голям инерционен момент може ефективно да балансира това огъване. Друг метод за предотвратяване на този ефект включва избора на дорник, изработен от материал с по-висок коефициент на еластичност. Стоманата например се отличава с по-нисък такъв коефициент в сравнение с твърдите сплави. Ето защо твърдите сплави са по-подходящият избор при разстъргващите ножове, които се очаква да подлежат на по-големи надвисвания при обработка.

Важно е още да се вземе предвид, че дори най-малкото движение във фиксирания край на дорника ще доведе до изкривяване на инструмента. Ето защо се търси оптимална стабилност чрез осигуряване на държач, който изцяло обгръща ножа. Възможни са две конфигурации – стационарно приспособление с монолитен корпус и фланцово присъединяване или разделен на две части захващащ блок, който се затваря чрез пристягане. При първия вариант частта на борщангата, която се захваща от патронника, е с предварително намален диаметър и се поставя в държача или пък директно се заварява към него. Фланецът може да бъде и залепен около свредлото на ножа на такова разстояние, че да се осигури допустимата дължина на надвисване. В този си вид ножът се захваща към държача чрез винтова връзка или директно се закрепя към револверната глава.

При стратегии за захващане, включващи винтови скоби, които се затягат върху разстъргващия нож, рискът от възникване на вибрации е по-висок. Затова този метод не трябва да се прилага за твърдосплавни дорници, които са по-крехки от стоманените и в резултат на вибрациите могат да се пропукат и дори да се счупят.

 

Видове разстъргващи инструменти

Пробивно-разстъргващите инструменти се предлагат в широко разнообразие от материали, дизайни и изработки. Едноточковите ножове са лесни за заточване, но трудно се регулират при използването им на револверни и автоматични стругове и обработващи центри, освен ако не се захващат посредством регулируем държач.

По-ефективна алтернатива, традиционно и на по-висока цена, са ножовете с регулируеми вложки. Те са достъпни в богат набор от стандартни размери. В много приложения се оказва рентабилно да се поръчат специални дорници с два или повече различни диаметъра на вложките, които са на достатъчно разстояние помежду си. Такива най-често са производствени сценарии, в които се произвеждат големи партиди от дадено изделие и използването на специализирани поръчкови ножове на по-висока единична цена е икономически обосновано. Предимството на тези инструменти е, че гарантират постигането на желаните допуски и концентричност на отворите.

Други специални инструменти са т. нар. разстъргващи глави, които се проектират със заменяеми вложки. Те се произвеждат от стомана, твърд карбид, както и от подсилена с карбид стомана.

Способността на един инструмент да устои на деформация се повишава с увеличаване на коефициента му на еластичност. Тъй като коефициентът на еластичност на карбида е три пъти по-голям от този на стоманата, карбидните ножове традиционно са предпочитани за обработки с по-големи надвисвания. Недостатък на карбида е неговата по-ниска устойчивост на опън. При усилените с карбид стоманени ножове карбидните втулки са предварително напрегнати, за да се предотвратят напрежения на опън.

Разстъргващите ножове могат да бъдат проектирани с вътрешни канали за смазочно-охлаждащ флуид, което е препоръчително при вътрешно струговане. Подаването на смазка през канала във вътрешността на инструмента осигурява ефективно охлаждане на режещия ръб, като в допълнение благоприятства стружкочупенето и стружкоотвеждането. По този начин се постига по-дълъг живот на инструмента и се предотвратяват различни проблеми с експлоатационните му характеристики вследствие на задръстване на обработвания отвор със стружки.

Важно при разстъргването е да се минимизират режещите сили и да се осигури максимална стабилност, за да успее режещият инструмент да устои на механичното напрежение.

 

Пробивно-разстъргващи машини

Пробивно-разстъргващи операции могат да бъдат извършвани както посредством специализирано оборудване, така и с помощта на металообработващи машини с общо предназначение, включително стругове, фрези и обработващи центри. Подобно на повечето металорежещи машини, и специализираните пробивно-разстъргващи конфигурации могат да бъдат най-общо подразделени на хоризонтални и вертикални.

Хоризонталните разстъргващи машини са предназначени за обработка на средно- и едрогабаритни детайли. Предимно това са детайли с правоъгълна форма, но са допустими за обработка и асиметрични или нестандартни изделия. Наличните инструменти за такива машинни конфигурации типично ограничават размера на обработвания отвор, стабилността на шпиндела и наличната мощност.

Хоризонталните борверк машини с подвижна маса са конструирани на подобен принцип като фрезовите машини с хоризонтален шпиндел. Основата и колоната са закрепени заедно, като колоната не се движи. Масите типично са тежки, оребрени отливки, които могат да поемат товари до над 9 тона.

Този тип машини се отличават основно по диаметъра на шпиндела. Конфигурациите с подвижна маса обикновено са с диаметър на шпиндела от 70 до 150 мм. По-големите установки са традиционно и по-мощни, а шпинделът не подлежи на риск да увисне или да се отклони значително при закрепването на по-тежък и удължен режещ инструмент. Приложенията на хоризонталната машина се определят и от размера на масата. Макар всеки модел да се предлага със стандартна маса, често се поръчват и такива с персонализирани размери на масите според изискванията на клиента.

Захващането на инструментите се извършва посредством фиксираща скоба чрез затягане, закрепване с болт или с друго специално закрепващо приспособление. Въртящите се маси позволяват обработка на всички четири стени на стандартните правоъгълни детайли, както и разстъргване под всякакъв ъгъл на всяка част от нестандартните изделия. При обработката на плоски едрогабаритни детайли се използват маси с наклонени равнини. Заготовката се завинтва или захваща към масата така, че равнината на детайла да е с лице към шпиндела.

Режещите инструменти при тези машини се захващат във въртящия се шпиндел посредством конусен отвор и затягащ винт. За да се ускори процесът по смяна на инструмента, машините се проектират с механизирани и още по-добре – с автоматизирани захващащи и изхвърлящи инструмента системи. При тях е възможна бърза, лесна и удобна смяна на разстъргващия нож с друг предварително подготвен инструмент за 10 до 30 секунди. При този тип машинни конфигурации са възможни широки диапазони от обработващи скорости (от порядъка на 15 до 1500 об./мин.) и подавания от 2 до над 1000 мм в минута.

Така наречените подови (floor-type) хоризонтални пробивно-разстъргващи машини се използват за изключително дълги или високи детайли. Стандартният направляващ канал от 182 см може да бъде удължен в зависимост от приложението при този тип конфигурации за нестандартни заготовки. На пазара се предлагат модели с дължина на направляващия канал от порядъка на 6 м. Височината на колоната, която обикновено е 150-180 см, може да бъде дори два пъти по-голяма, ако приложението го изисква (като, разбира се, се осигури здравото й закрепяне към пода).

При тези модели работната маса е отделен елемент от машината, като също е монтирана към пода. Често е закрепена с винтове към водещия канал. Цялата колона и основа могат да се движат вляво и вдясно (по оста Х) по специални приспособления на канала, който трябва да бъде добре подравнен и центриран при първоначалния монтаж, както и в последствие да бъде подлаган на инспекция в течение на експлоатацията на машината.

Предното седло на хоризонталните борверк машини може да бъде придвижвано аналогично надолу и нагоре по колоната (по оста Y). Шпинделът с диаметър 150-250 мм се върти, за да извършва механичната обработка. Той се подава навътре и навън по оста Z на дълбочина до 1200 мм с цел пробиване, разстъргване, фиксиране на дълбочина при фрезоване и т. н.

Подобно на хоризонталните машини с подвижна маса, и тук диаметърът на шпиндела и размерите на масата определят типоразмера и модела на конфигурацията. Режещите инструменти традиционно са същите като тези, използвани при машините с подвижна маса, както и стратегиите за захващане на инструменталната екипировка.

Вертикалните пробивно-разстъргващи машини са подобни на стругове, при които предното седло е с подов монтаж. Използването на такава конфигурация в практиката е необходимо, тъй като дори най-мощните стругове не успяват да се справят достатъчно надеждно с детайли над 60 см в диаметър. Ето защо използваното за целта оборудване е популярно като стругово-разстъгрващо. Често такива машинни конфигурации са известни и като средство за челна обработка. Подобно на всеки струг, те могат да извършват цилиндрична обработка, челно струговане и контурно рязане.

Координатно-пробивните и координатно-разстъргващите машини, също масово използвани в практиката, могат да бъдат най-общо определени като вертикални борверзи с прецизно лагеруване. Те са достъпни в широка гама от размери, като конвенционалните модели постепенно биват изместени от усъвършенствани конфигурации с цифрово управление.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top