ДОРНОВАНИЕ

9.1. Схема дорнования и конструкция инструмента.

9.2. Определение тягового усилия и параметров инструмента.

9.3. Режимы дорнования.

9.4. Дорнование с большими натягами.

9.5. Точность и качество поверхностей дорнованных отверстий

.

 

9.1. Обработка отверстий дорнованием, инструменты которого относятся к первому виду, заключается в том, что инструмент (дорн), диаметральный размер которого несколько больше размера обрабатываемого отверстия, проталкивается (протягивается) через него, при этом за счет пластических деформаций диаметр отверстия увеличивается, происходит сглаживание исходной шероховатости и упрочнение поверхностного слоя металла (трение скольжения).

На рис. 9.1. показана схема образования новой поверхности при прошивании сквозного отверстия кольцом дорна. Дорнование осуществляется, как правило, после предварительной обработки отверстия сверлением, зенкерованием, растачиванием, развертыванием, протягиванием и др. Однако более низкая шероховатость поверхности получается тогда, когда дорнование производится поперек рисок микропрофиля исходной шероховатости (все виды обработки, кроме протягивания). Наиболее часто процесс дорнования применяется при отделочно-упрочняющей обработке сквозных отверстий, хотя имеется немало примеров прошивания дорнами и глухих отверстий. Сквозные отверстия могут обрабатываться прошиванием шарами и выглаживающими прошивками, а также протягиванием выглаживающими протяжками.

На рис. 9.2 показаны различные типы дорнов. Однокольцевые цельные (рис. 9.2, а и б) наиболее просты и применяются для обработки небольших отверстий (5-10 мм). Для направления дорна в отверстие в нем предусмотрена направляющая передняя часть (рис. 9.2, в). При обработке отверстий диаметром свыше 20 мм целесообразно использовать многокольцевые цельные (рис. 9.2, г) и многокольцевые наборные (рис. 9.2, д). Формы рабочего профиля колец дорнов показаны на рис. 9.3. Наиболее употребительной формой является профиль кольца с заборной и задней частями конусообразной формы (рис. 9.3, а). Кольца с двойной заточкой рекомендуется применять при дорновании чугунных деталей (рис. 9.3, б). Сферическая форма кольца применяется при выглаживающем дорновании отверстий с малыми натягами (рис. 9.3, в).


 

 

Рис. 9.1. Схема образования

цилиндрической поверхности

при дорновании кольцом дорна

 

 

Рис. 9.2. Типы дорнов

 

 

Рис. 9.3. Формы профиля рабочей

поверхности кольца (зуба) дорна

 

Материалом для изготовления дорнов или колец служат стали марок У12, ХВГ, Р6М5, Х12М, ШХ15 и др., термически обработанные до твердости 62-65 НRСэ. Рабочую поверхность дорна покрывают слоем хрома толщиной 8-12 мкм. Дорны и выглаживающие протяжки с кольцами из закаленных сталей имеют существенный недостаток, заключающийся в сравнительно быстром износе колец протяжки, что влечет за собой значительное ухудшение качества обработанной поверхности. Другим недостатком стальных протяжек является образование на рабочих поверхностях колец нароста, что ухудшает качество обработанной поверхности. Только после удаления нароста и тщательной зачистки кольца можно продолжать обработку деталей этим инструментом.

Дорны и выглаживающие протяжки, изготавливаемые из твердого сплава ВК6М, ВК8, ВК10М, имеют в сотни раз большую износостойкость. Изготовление таких дорнов и протяжек сложной формы с высокой точностью и весьма малой шероховатостью осуществляется алмазно-абразивным инструментом из синтетических алмазов. Рабочие поверхности дорнов обрабатываются до шероховатости Rа = 0,08-0,04 мкм.

 

9.2. По величине тягового усилия, необходимого для дорнования, подбирается модель протяжного станка или пресса, производится прочностный расчет элементов инструмента, а также проверка на прочность и устойчивость обрабатываемой детали. Величина тягового усилия для дорнования отверстия дорном с одним кольцом конусообразной формы определяется по формуле

где К1, К2, Кдоп – удельные давления течения металла, необходимые соответственно для осуществления основных деформаций металла, преодоления сил трения по цилиндрической ленточке дорна и осуществления дополнительных деформаций, связанных с неравномерностью деформаций при дорновании; F – площадь поперечного сечения обрабатываемой заготовки; F1 – площадь пластически деформируемой области заготовки, в пределах которой осуществляются дополнительные сдвиги металла.

Величины К1, К2 и Кдоп определяются по следующим формулам:

 

 

где Р – истинное сопротивление обрабатываемого металла деформированию; m - коэффициент трения в зоне контакта дорна с обрабатываемой поверхностью; a - угол заборного конуса инструмента; i – натяг; d – диаметр дорна по цилиндрической ленточке; b – ширина цилиндрической ленточки.

Площади F и F1 определяются следующим образом:

и ,

где D – наружный диаметр обрабатываемой втулки; Ds – диаметр пластически деформируемой области.

При получении в результате расчета Ds>D следует принимать Ds=D. Значение Ds находится из выражения:

где Е – модуль упругости обрабатываемого материала.

Для расчета тягового усилия при дорновании многокольцевой прошивкой или протяжкой можно пользоваться формулой

где Рт – тяговое усилие, создаваемое дорном с одним кольцом с натягом, соответствующим максимальному натягу многокольцевого дорна; К – коэффициент, зависящий от степени деформации металла (0,73-1,00); L – длина обрабатываемого отверстия; t – шаг рабочих колец; хм – показатель степени деформации, зависящий от обрабатываемого материала, может быть 0,76-0,83.

Ширина ленточки определяется по эмпирической формуле

При обработке вязких материалов следует увеличивать угол заборного конуса и уменьшать ширину ленточки. С целью уменьшения тягового усилия и шероховатости дорнованного отверстия рекомендуется применять кольца с двойным заборным конусом (рис. 9.3, б).

Шаг колец многокольцевых протяжек определяется исходя из длины обрабатываемого отверстия t = (1,0-1,2).

Число деформирующих колец у многокольцевого дорна выбирается из эмпирической зависимости

Число калибрующих колец принимается в пределах 1-3.

Фактический натяг любого деформирующего кольца дорна определяется по формуле

где Zn и Zq – номер кольца, для которого определяется величина натяга и общее количество колец дорна.

Подъем на каждое деформирующее кольцо равен

 

9.3. Основным параметром режима дорнования является натяг. От его величины зависит величина остаточного деформирования, шероховатость обработанной поверхности, степень и глубина наклепа, величина и глубина распространения остаточных напряжений и т.д. В свою очередь величину оптимального натяга следует выбирать с учетом ряда факторов: механических свойств обрабатываемого металла, равномерности и толщины стенок заготовки, размера отверстия, величины и направления следов исходной шероховатости, качества смазывающей жидкости и др.

Величина абсолютного натяга i при дорновании i = d - dз, где dз – диаметр отверстия заготовки до дорнования.

Абсолютная остаточная деформация определяется ddо = dо – dз, где dо – диаметр отверстия после однократного дорнования.

Тогда относительная остаточная деформация определится из

Абсолютная упругая деформация равна ddy = d – dо.

Величина максимального натяга многокольцевого дорна

imax = dmax – dз,

где dmax – максимальный размер деформирующего кольца.

Скорость дорнования не оказывает существенного влияния на параметры обработанного отверстия (точность, шероховатость), но образование нароста при увеличении скорости вследствие повышенного выделения теплоты в зоне контакта увеличивается. Особенно это сказывается при дорновании вязких материалов. Поэтому для них рекомендуется принимать скорость дорнования равной 0,03-0,08 м/с, а для менее пластичных материалов – 0,08-0,11 м/с.

Для мало и среднеуглеродистых сталей при обработке дорнами с небольшими относительными натягами (до 0,006 мм) применяются индустриальное и веретенное масла, эмульсии, сульфофрезол и др., а при дорновании более прочных сталей с большими относительными натягами – смеси минеральных и растительных масел с олеиновой кислотой, мылами, а также минеральные масла с наполнителями – графитом, серой, тальком. Использование порошкообразного дисульфита молибдена или в смеси с минеральным маслом в соотношении 2:1 дает весьма хорошие результаты. Чугун хорошо обрабатывается с керосином, сплавы на медной основе – с эмульсиями и минеральными маслами, а алюминиевые сплавы – с мыльной водой и смесью минеральных и растительных смазок и жиров. Для сплавов на медной основе используются минеральные масла и эмульсии.

 

9.4. В машиностроении детали типа втулок, гильз и цилиндров составляют до 10% от всего количества деталей машин, проходящих механическую обработку. Большинство втулок, гильз и цилиндров гидро- и пневмоприводов изготавливаются из бесшовных труб из углеродистых и низколегированных сталей марок 30, 40, 45, 20Х, 40Х, 20Г и др. Технология обработки отверстий в таких деталях в основном зависит от длины и диаметра отверстия, точности и шероховатости поверхности и состоит из нескольких операций механической обработки режущими, абразивными и калибрующими инструментами. Использование размерно-чистовой обработки отверстий методом дорнования позволило в 2-4 раза повысить производительность труда на финишных операциях по сравнению с абразивной обработкой шлифованием, хонингованием и полированием. Однако применение метода ППД требует точной предварительной обработки отверстий режущими инструментами.

При изготовлении деталей из труб применяют дорнование с большими натягами. Сущность его заключается в том, что путотелая заготовка (труба) с предварительно очищенной от коррозии и окалины поверхностью пластически деформируется по всему ее сечению путем протягивания через отверстие протяжки с деформирующими кольцами, имеющими большой натуг (2-6 мм).

Обработка отверстия в катанных трубах деформирующими протяжками происходит с натягами, в 20-30 раз превышающими натяги при калибрующем (выглаживающем) дорновании. После дорнования отверстий с большими натягами наружный диаметр труб увеличивается, а погрешности его макропрофиля являются как бы уменьшенной копией исходного профиля отверстия заготовки. Последующее дорнование уменьшает шероховатость поверхности и увеличивает точность обработки.

Определение величины натяга. Наименьший натяг, при котором полностью устраняются черноты заготовок, называется минимально необходимым натягомimin. Минимально необходимый относительный натяг есть

где dз – номинальный диаметр отверстия заготовки.

Обработка отверстий с большими натягами осуществляется с деформацией отверстия в пределах 10-20%, что значительно ниже предела появления радиальных микротрещин для труб из углеродистых сталей.

Для проверочного расчета предельно допустимой радиальной деформации отверстия при дорновании можно использовать приближенную зависимость

где yр – относительное равномерное сужение материала заготовки при стандартных испытаниях на растяжение.

Величина yр связана с величиной относительного удлинения материала dр при испытаниях на растяжение зависимостью

Выбор полного относительного натяга ed следует производить в пределах eпр³ed³emin. Для уменьшения числа проходов следует принимать ed»emin.

Натяг на каждое кольцо деформирующей протяжки определяется логарифмическим распределением натягов аналогично калибрующему деформированию. Поэтому натяг каждого кольца рассчитывается. Число деформирующих колец также рассчитывается по ранее приведенной зависимости.

Шаг между рабочими кольцами деформирующих протяжек вытекает из условия одновременной работы трех-четырех рабочих колец, т.е.

где В – ширина рабочего кольца; n – число одновременно работающих колец.

Определение размеров заготовок. В процессе дорнования отверстий с большими натягами наружный и внутренний диаметры заготовки увеличиваются, а ее толщина стенки и длина – уменьшаются.

По заданным размерам детали (D, d, L и S) и принятой величине радиальной деформации (ed), минимально необходимому натягу (imin) определяются размеры заготовок (Dз, dз, Sз, Lз).

Внутренний диаметр заготовки

Толщина стенки заготовки

 

Тогда наружный диаметр заготовки

По рассчитанным размерам Dз, dз, либо dз, Sз и соответствующему ГОСТу на бесшовные трубы выбирается ближайший профиль трубы.

Длина заготовки определяется по формуле

В длину детали следует включить припуск на подрезку торцов после дорнования. В случае необходимости дополнительной обработки резанием после деформирующего протягивания следует расчет припуска производить с учетом глубины дефектного слоя.

Определение тягового усилия. Для его определения при обработке отверстий одним деформирующим кольцом можно использовать приближенную зависимость, которая получена при коэффициенте трения m = 0,1, угле заборного конуса a = 5 о, отношении D/d£1,4:

где sср – средний предел текучести при заданной степени деформации отверстия; i – подъем на одно кольцо протяжки; d – диаметр кольца по цилиндрической ленточке; D – наружный диаметр после дорнования; S – толщина стенки после дорнования; К – коэффициент влияния смазки и очистки поверхности заготовки. При смазке сульфофрезолом и очистке травлением К = 1.

Диаметры dз и Dз определяются по приведенным выше формулам после дорнования кольцом, имеющим данный натяг i. Величина sср определяется по величине относительной деформации при дорновании данным рабочим кольцом, при этом

После расчета тягового усилия для каждого рабочего кольца определяется суммарное тяговое усилие всех одновременно работающих колец

где n – количество одновременно участвующих в работе колец; К – коэффициент, учитывающий неодновременность достижений максимальных значений усилий при входе и выходе дорна (К = 0,85-1).

Конструкции деформирующих протяжек. Прошивки и протяжки, предназначенные для дорнования отверстий с большими натягами, по внешнему виду незначительно отличаются от калибрующих выглаживающих инструментов, применяемых для уменьшения шероховатости и повышения точности обработанного отверстия после обработки резанием.

Оправки сборных протяжек изготавливаются из сталей марок 45, 40Х, 45Х, ХВГ с твердостью 45-54 НRСэ и точностью 7-го квалитета.

В мелкосерийном и серийном производстве деформирующие и калибрующие кольца выполняются из инструментальных сталей марок ХВГ, 5Х1М, Х12М, 9ХГ, Р9, Р18, закаленных до твердости 63-65 НRСэ. Для повышения стойкости они подвергаются цианированию, азотированию, борированию и т.п. В массовом производстве протяжки оснащаются деформирующими и калибрующими кольцами из твердого сплава марок ВК8, ВК8М, ВК10М, ВК15М и др.

 

9.5. Калибрующее и деформирующее дорнование применяется, как правило, для получения отверстий высокой степени точности (6-7-го квалитетов) с минимальной высотой микронеровностей (Rа = 0,08-0,63 мкм). В связи с тем, что процесс дорнования сопровождается созданием в контактной зоне больших удельных давлений, поверхностный слой отверстия детали упрочняется – значительно повышается твердость в поверхностном слое металла и наводятся остаточные напряжения сжатия.

Точность обработки. При выглаживающем дорновании, когда процесс деформирования происходит после обработки резанием, точность диаметральных размеров повышается на 30-40% и достигает 7-8 квалитетов точности. В процессе дорнования уменьшаются отклонения от правильной геометрической формы.

При дорновании отверстий искажается образующая у торцов на длине 2-5 мм. Величина искажения зависит главным образом от величины натяга, механических свойств обрабатываемого материала, а также геометрии инструмента и составляет 0,012-0,06 мм. Устранение этой погрешности достигается подрезкой торцов после дорнования или созданием фасок на торцах детали.

При деформирующем дорновании у торцев детали происходит обратное явление: искажение от прямолинейности образующей с уменьшением диаметральных размеров торцов. На опорном торце детали наблюдаются наплывы, а на свободном – вогнутость. Эта погрешность уменьшается с увеличением числа деформирующих колец до 4-5 штук.

Деформирующее дорнование разностенных деталей тел вращения с переменной продольной жесткостью стенок приводит к искривлению оси отверстия. Влияние разностенности возрастает с увеличением пластической деформации и с уменьшением толщины стенок заготовки. При значительной разностенности заготовок для уменьшения искривления оси детали заготовку следует обточить относительно предварительно обработанного отверстия. Уменьшение искривления оси детали при дорновании с большими натягами отверстия длинных тонкостенных цилиндров можно получить, если между рабочими кольцами протяжки устанавливать одно-два упорных кольца, работающих с нулевым натягом.

Шероховатость дорнованных отверстий. Зависимости изменения шероховатости обработанной поверхности от конструктивно-технологических факторов (режим обработки, геометрия инструмента, исходная шероховатость, жесткость стенок детали и т.д.) при калибрующем и деформирующем дорновании имеет общий характер.

На рис. 9.4 приведены графики изменения шероховатости дорнованных отверстий в образцах из стали 45, выполненных в виде втулок с наружным диаметром 40 мм, внутренним – 21 мм и длиной – 35 мм. Шероховатость подготовленных под дорнование отверстий соответствовала Rа = 10-14 мкм. Отверстия обрабатывались последовательно кольцами, имеющими подъем на каждое кольцо 0,01; 0,03; 0,06 и 0,09 (на рис. 9.4 соответственно кривые 1, 2, 3, 4). Наибольшая шероховатость (кривая 1) получается при дорновании отверстий с малым подъемом на деформирующее кольцо и их значительном количестве (20-30 шт.). При этом кривая имеет характерную точку перегиба, соответствующую минимальной шероховатости при определенной величине относительного натяга (0,009-0,012). Уменьшение натяга ведет к увеличению шероховатости, так как не происходит полной деформации микрогребешков. В то же время увеличение натяга сверх оптимальной величины также увеличивает шерохова-

 

Рис. 9.4. Зависимость шероховатости поверхности дорнованных отверстий от относительного натяга

 

тость дорнованной поверхности, что связано с явлением перенаклепа поверхности.

При меньшем числе колец дорна (5-16) и большом подъеме на каждое кольцо (кривые 2, 3, 4) шероховатость поверхности снижается (при относительных натягах 0,009-0,012).

Упрочнение поверхностного слоя. На степень и глубину наклепанного слоя значительное влияние отказывает величина натяга. На рис. 9.5, а приведены кривые, характеризующие изменение микротвердости по сечению стенок втулок из армко-железа, дорнованных с разной величиной суммарного натяга и толщиной деформированного слоя в зависимости от величины натяга на один деформирующий элемент (рис. 9.5, б). Из рис. 9.5, а следует, что при различных значениях суммарного натяга поверхностная твердость дорнованного отверстия примерно одинакова или увеличивается незначительно с увеличением натяга. Толщина слоя с повышенной микротвердостью увеличивается с увеличением суммарной величины натяга, однако, интенсивность роста глубины наклепанного слоя тем выше, чем меньше натяг на деформирующий элемент (рис. 9.5, б). При одинаковом суммарном натяге толщина поверхностного слоя будет тем больше, чем больше кратность деформации поверхностного слоя.

 

Рис. 9.5. Зависимость степени (а) и глубины наклепа (б) от величины натяга:

1 – сталь 20; 2 – сталь 35; 3 – сталь 45

 

Степень упрочнения и глубина наклепанной поверхности зависят от свойств обрабатываемого материала. При одних и тех же значениях натягов на деформирующий элемент и суммарных натягов степень наклепа будет тем больше, чем пластичнее металл. Для углеродистых сталей степень и глубина наклепа связаны с содержанием углерода: чем меньше в стали углерода, тем выше степень упрочнения и глубина упрочненного слоя.

При дорновании твердосплавными протяжками в поверхностном слое детали возникают остаточные напряжения, величина и знак которых зависят от величин натягов на деформирующий элемент и суммарных натягов. Для стальных заготовок остаточные напряжения сжатия увеличиваются с уменьшением натяга на деформирующий элемент. И наоборот, остаточные растягивающие напряжения увеличиваются с ростом натяга на деформирующий элемент.

С увеличением суммарного натяга величина сжимающих остаточных напряжений увеличивается. Глубина залегания остаточных напряжений сжатия после деформирующего дорнования достигает нескольких десятых миллиметра, а величина этих напряжений тем больше, чем менее пластичный материал. Она достигает 200-400 МПа.

Малая величина шероховатости обработанных отверстий, упрочнение поверхностного слоя, сопровождающееся повышением его твердости, наличие сжимающих остаточных напряжений в этом слое способствуют повышению износостойкости деталей, обработанных дорнованием.

На рис. 9.6. приведены сравнительные результаты испытаний на износ отверстий гильз гидроцилиндров, изготовленных из стали 45 с диаметром 40Н7 и шероховатостью Rа = 0,16-0,32 мкм. Из рис. 9.6, а следует, что период приработки отверстий цилиндров, обработанных дорнованием, значительно меньше периода приработки отверстий, полученных тонким растачиванием, хонингованием и раскатыванием. Лишь у доведенных отверстий период приработки несколько меньше, чем у дорнованных. Износ отверстий дорнованных образцов в период испытаний в течение 12 ч в 3,5 раза меньше, чем у хонингованных, и в 1,6 раза, чем у раскатанных (рис. (9.6, б).

 

Рис. 9.6. Влияние вида обработки на время приработки (а) и зависимость величины износа от времени приработки (б):

1 – тонкое растачивание; 2 – хонингование; 3 – раскатывание; 4 – доводка

 

Использование дорнования в производстве. Дорнование используется для получения высокоточных отверстий (7-8 квалитетов) с шероховатостью поверхности Rа = 0,16-0,63 мкм у деталей различной конфигурации, изготовленных из сталей, чугуна и цветных металлов. Номенклатуру деталей, где можно применять выглаживающее дорнование, можно разбить на четыре группы.

1 группа – мелкие детали прецизионных пар топливной аппаратуры с отверстиями диаметром от 4 до 15 мм, ролики и втулки толкателей, изготавливаемых из высоколегированных сталей, имеющих после термообработки 59-63 НRСэ. Окончательная обработка отверстий у деталей этой группы до шероховатости Rа = 0,04-0,08 мкм производится хонингованием, черновой и чистовой доводкой.

Дорнование обеспечивает шероховатость Rа = 0,08-0,16 мкм до термообработки при точности 7-8 квалитетов, вследствие чего отпадают операции хонингования и черновой доводки.

II группа – детали гидравлики средних размеров, отверстия у которых диаметром до 10-20 мм обрабатываются по 7-8-му квалитетам точности и шероховатости поверхности Rа = 0,08-0,32 мкм. К таким деталям относятся панели, корпуса клапанов, гильзы сервомеханизмов, толстостенные цилиндры. Для этих деталей характерна термообработка до твердости 30-40 НRСэ. Отверстия у деталей второй группы обрабатываются развертыванием, протягиванием или чистовым растачиванием. Окончательная обработка отверстий производится хонингованием или доводкой.

При использовании дорнования аннулируется объемная термообработка, так как упрочненный поверхностный слой, полученный в результате пластического деформирования, обеспечивает требуемую износостойкость.

III группа – детали тел вращения, полученные штамповкой или литьем из углеродистых и малолегированных сталей с отверстиями диаметром 80-120 мм, выполненными по 7-му квалитету точности и шероховатости Rа = 0,63-1,25 мкм. К деталям этой группы относятся ролики, ступицы колес, балансиры, натяжные колеса и т.д. Обычно отверстия у них обрабатываются режущими протяжками, после которых следуют операции хонингования или раскатывания.

Использование дорнования исключает операции хонингования или раскатывания и повышает точность формы отверстия. Выглаживающие протяжки обеспечивают точность размеров отверстий 7-го квалитета, отклонение от геометрической формы отверстия в поперечном сечении 0,02-0,03 мм и шероховатость Rа = 0,32-0,63 мкм.

IV группа – точные зубчатые колеса с цилиндрическими отверстиями 6-7-го квалитетов точности. Эта группа подразделяется на две подгруппы: шестерни, механическая обработка которых производится в термоулучшенном состоянии, и шестерни, окончательная обработка которых осуществляется после термообработки. Для первой подгруппы рекомендуется в качестве финишной операции производить обработку отверстий дорнованием.

Отверстия деталей второй подгруппы рекомендуется обрабатывать в такой последовательности: протягивание режущей протяжкой, протягивание выглаживающей протяжкой, алмазное хонингование (после термообработки).

 

 


ЛЕКЦИЯ 18