Втулки являются одними из наиболее распространенных, но сложных компонентов прецизионной обработки. Для правильной работы этих цилиндрических тонкостенных деталей требуется одинаковая толщина стенок. Любое изменение приводит к неравномерному контакту подшипников, преждевременному износу и трудностям при сборке. Тем не менее, многие механики сталкиваются с трудностями при использовании втулок, которые идеально подходят для станка, но после разжима демонстрируют неприемлемое изменение стенок. Виновником почти всегда является деформация прижима. Понимание того, как удерживать тонкостенные втулки, не деформируя их, отделяет предприятия, производящие стабильные и надежные детали, от тех, которые гоняются за проблемами округлости.
Физика деформации тонкостенной втулки проста. Втулка с толщиной стенки 0,050 дюйма имеет очень небольшую радиальную жесткость. Когда трехкулачковый патрон затягивается по внешнему диаметру, на кулачки воздействует точечная нагрузка. Втулка упруго отклоняется в трехлепестковую форму. Машинист растачивает внутренний диаметр, пока деталь деформируется. После освобождения кулачков патрона втулка возвращается в закругленное состояние. Однако внутренний диаметр теперь имеет три выступа, соответствующие исходному положению челюстей. Толщина стенки варьируется ровно на величину прогиба. Тот же эффект возникает при зажиме по внутреннему диаметру и повороте по внешнему. Решение состоит в том, чтобы зажимать таким образом, чтобы прикладывать равномерную и низкую силу напряжения по всей окружности.
Одним из наиболее эффективных методов фиксации тонкостенных втулок является использование патрона или разжимной оправки. Патрон представляет собой приспособление с коническим внутренним отверстием и стальной цангой с прорезями. При втягивании в конус цанга равномерно расширяется по внутреннему диаметру втулки. Сила расширения распределяется по всей окружности, а не в отдельных точках. Правильно спроектированные патроны могут удерживать втулки с толщиной стенок до 0,020 дюйма без измеримой деформации. Ключевым моментом является ограничение хода расширения всего на 0,001 или 0,002 дюйма за пределами диаметра покоя детали. Расширение даже на несколько тысячных все равно исказит тонкие стены. Предпочтительны регулируемые зажимные патроны со стопорным винтом для ограничения хода.
Для точения наружного диаметра разжимная оправка работает по тому же принципу. Оправка имеет конический центральный вал и разъемную стальную или уретановую втулку. Когда вал втягивается во втулку, втулка расширяется радиально относительно внутреннего диаметра втулки. Контакт непрерывен по всей окружности. Многие цеха изготавливают собственные разжимные оправки из стали 4140, термообработанной и шлифованной. Набор сменных втулок позволяет работать с втулками разных размеров. Оправка устанавливается между центрами или в патроне, а втулка надевается на разжимную втулку. Дыша или винт приводит в действие расширение. Этот метод обеспечивает превосходную концентричность, поскольку оправка центрируется на той же оси, что и шпиндель токарного станка.
Мягкие губки являются более доступной альтернативой для многих магазинов. Стандартные кулачки патрона можно обработать так, чтобы они соответствовали контуру втулки, но это само по себе не решает проблему точечной нагрузки. Решение состоит в том, чтобы использовать набор зажимов для пирога. Это мягкие губки, обработанные по большой дуге, обычно под углом 120 градусов каждая, а затем прорезанные радиально от внешнего края почти до крепежного винта. При затягивании каждая губка слегка сгибается, распределяя силу зажима на более широкую площадь. Для достижения наилучших результатов диаметр обрабатываемых губок должен быть точно таким же, как наружный диаметр втулки. Черновая обработка втулки тяжелыми резами требует большего усилия зажима. Чистовые проходы следует выполнять с пониженным давлением в патроне. Многие современные токарные станки с ЧПУ позволяют программировать давление патрона, которое можно установить на низкое значение, от 50 до 100 фунтов на квадратный дюйм, для чистовой обработки.
Еще один мощный метод — осевой зажим в сочетании с жертвенным наполнителем. Вместо зажима на стенке втулки деталь удерживается между двумя планшайбами, которые сжимают втулку вплотную. Внутреннюю часть втулки заполняет наполнительный материал, например сплав с низкой температурой плавления, воск или даже замороженный лед. Наполнитель обеспечивает внутреннюю поддержку во время обработки. После механической обработки наполнитель расплавляется или вымывается. Этот метод обычно применяется для втулок с очень тонкими стенками, толщина стенки которых составляет менее 0,010 дюйма. Наполнитель предотвращает смятие или вибрацию детали. Осевая сила зажима, приложенная через мягкие шайбы, не деформирует цилиндрическую стенку, поскольку сила параллельна оси отверстия.
Для втулок, изготовленных из материалов, чувствительных к криогенным или термическим воздействиям, термозажимная посадка обеспечивает метод зажима без деформаций. Втулка охлаждается жидким азотом, что приводит к уменьшению ее диаметра. Соответствующая оправка или патрон при комнатной температуре имеют немного больший внутренний диаметр, чем внутренний диаметр холодной втулки. Втулка надевается на оправку и нагревается. По мере расширения он захватывает оправку с равномерной радиальной силой. Обработка происходит без сосредоточенных точек зажима. После резки сборку снова охлаждают, чтобы освободить деталь. Этот метод требует контролируемой среды, но обеспечивает исключительную однородность стен.
В процессе измерения также важно контролировать толщину стенки втулки. Датчик диаметра отверстия или воздушный манометр, используемый, когда деталь все еще зажата, дает неверные показания. Истинное изменение толщины стенки появляется только после разжима. Лучше всего выполнять пружинную резку: очень легкий проход, глубина резания от 0,002 до 0,004 дюйма, при этом давление патрона снижается до минимума, необходимого для вращения детали. Этот окончательный рез удаляет искаженную поверхность, оставленную более тяжелыми черновыми проходами. После обрезки пружины следует провести второе измерение после того, как деталь будет полностью освобождена. Мастерские, владеющие этими методами, обычно фиксируют отклонение толщины стенки втулки ниже общего показания индикатора на 0,0003 дюйма. Их менее опытные коллеги продолжают отказываться от деталей, убежденные, что тонкие стенки невозможно обработать по-настоящему. На самом деле проблема не в тонких стенах. Неправильный зажим. Выберите равномерный, низкий уровень напряжения, фиксацию по всей окружности, и однородность толщины стенки втулки станет полностью контролируемой.
