Квадратные отверстия, полученные протяжкой: почему квадратные валы заклинивают?

Квадратное отверстие, полученное протяжкой, выглядит как самая простая деталь на приводном ступице, вплоть до момента, когда вал не входит. Заказ № 260616007 поступил в ноябре 2023 года от производителя компонентов привода клапанов, предыдущий поставщик которого поставлял черные анодированные ступицы, которые собирались вручную молотком в одну смену и сбрасывались по гравитации в следующую: квадрат измерялся правильно у входа в отверстие и неправильно у дальнего конца, а на части деталей грани оказались повернуты, поэтому квадратный вал, который идеально подходил, неправильно выравнивался относительно схемы отверстий фланца, и сборка фиксировалась в неправильном положении.

На фотографиях изображены производственные детали из последующего заказа: двухфланцевая ступица из AL6061-T6, обработанная и финишная в одной установке токарно-фрезерного станка, с квадратным отверстием, полученным протяжкой, сквозным корпусом, шестью отверстиями в каждом фланце, канавкой для фиксации на дальнем конце, радиальным поперечным отверстием, черным анодированным покрытием и лазерной маркировкой на корпусе между фланцами. Квадратное отверстие, полученное протяжкой, является деталью, которая определяет работоспособность детали, и это единственная деталь, которую нельзя исправить после ее изготовления.

Что должна делать эта ступица?

Четыре задачи, и квадратное отверстие — это то, что передает привод.

Квадратное отверстие принимает вал и передает крутящий момент. Круглое отверстие с шпонкой выполняло бы ту же функцию, но квадратное позволяет индексировать вал относительно ступицы в четырех положениях и не требует шпонки, шпоночного паза и отдельного фиксирующего элемента.

Два фланца центрируют узел. Оба рисунка фланцев расположены с равным шагом, и шесть отверстий на каждом фланце должны совпадать с соответствующим рисунком болтов, что означает, что оба рисунка должны быть просверлены от одного репера, а не из двух отдельных установок.

Канавка для фиксации и радиальное поперечное отверстие удерживают узел вместе. Канавка принимает стопорное кольцо, которое предотвращает скольжение ступицы вдоль вала, а поперечное отверстие принимает штифт, который фиксирует вал в осевом направлении.

Анодированное покрытие и лазерная маркировка — это отделка и идентификация детали. Оба наносятся последними, что означает, что оба должны работать с учетом допусков, установленных предыдущими операциями.

Почему квадратное отверстие сложнее круглого?

Круглое отверстие оценивается в одном месте, квадратное отверстие должно оцениваться по всей его глубине.

Круглое отверстие измеряется калибром-пробкой или измерителем отверстий на одной глубине, и если оно соответствует размеру там, то почти всегда соответствует размеру по всей остальной части отверстия, потому что развертка или расточной резец создает постоянный цилиндр.

Квадратное отверстие вырезается протяжкой: длинный стержень с ступенчатыми режущими зубьями, который один раз проталкивается или протягивается через направляющее отверстие, причем каждый зуб делает небольшой шаг глубже предыдущего. Таким образом, ширина между параллельными гранями постепенно определяется, зуб за зубом, по всей глубине отверстия. Если нагрузка на резку изменяется вдоль хода, или если инструмент изнашивается во время работы, отверстие получается немного отличающимся у входной грани от выходной. Деталь проходит проверку у входа и не проходит у дальнего конца, что является именно тем симптомом, который затруднил оценку этого заказа.

Вот почему проверка по этому заказу измеряет ширину между параллельными гранями на трех глубинах вниз по отверстию, а не только у грани. Квадрат, который является однородным у грани и отличается на 0,02 мм у выхода, все равно пройдет проверку грани и все равно заклинит вал.

Протяжка также определяет угловое положение, и его нельзя исправить позже.

Угловое положение граней относительно схемы отверстий фланца устанавливается протяжкой. Какое бы угловое положение ни было задано протяжкой при входе, такое и будет у готовой детали, потому что ни одна последующая операция не может повернуть квадратное отверстие внутри детали.

На такой ступице последствие специфично: квадратный вал может идеально подходить к отверстию и все равно располагать свои грани под неправильным углом относительно схемы фланца, поэтому сборка болтами крепится, но находится в неправильном вращательном положении. Если на чертеже не указан допуск на угловое положение, цех должен угадать, направляется ли протяжка по отверстию фланца или по обработанной грани, и это предположение приводит к партии, которая идеально соответствует размерам, но функционально неправильна.

Исправление является процедурным, а не дорогостоящим. Направляющее отверстие просверливается, и протяжка вводится из того же репера, из которого были просверлены рисунки фланцев, с помощью направляющей втулки, которая предотвращает вращение протяжки при ее начале. Затем угловое положение проверяется относительно отверстия фланца с помощью калибра, а не оценивается на глаз.

Квадрат, полученный протяжкой, всегда имеет радиус скругления угла.

Никакая протяжка не может вырезать математически острый внутренний угол, потому что режущие зубья имеют конечный радиус скругления угла. Поэтому углы протянутого квадрата несут радиус, и соответствующий квадратный вал должен быть облегчен для соответствия. Когда это не так, вал контактирует с гранями и опирается на радиусы скругления углов вместо посадки, что ощущается как помеха, даже если ширина между гранями правильная.

На чертеже должно быть указано, какой радиус скругления угла допускается в отверстии и какое облегчение предусмотрено на валу. Оставление обоих на предположение — это то, как деталь, соответствующая допуску, отклоняется при сборке.

Как была изготовлена ступица, шаг за шагом?

Шаг 1 - Токарная обработка профиля, ступеней и канавки для фиксации в одной установке

Внешний профиль, обе грани фланцев, ступенчатый вал и канавка для фиксации обрабатываются в одной установке с удержанием детали на главной оси. Одна установка обеспечивает концентричность двух фланцев друг к другу и к оси отверстия, что и является причиной требования к концентричности фланцев 0,02 мм на этом чертеже.

Шаг 2 - Фрезерование рисунков отверстий фланцев в той же зажимной оснастке

Шесть отверстий в каждом фланце фрезеруются в той же зажимной оснастке, что и токарная обработка, индексируясь от одного репера, так что оба рисунка имеют общую ось и угловую ссылку. Сверление двух фланцев в отдельных установках приводит к получению ступицы, отверстия которой совпадают с чертежом, а не друг с другом.

Шаг 3 - Сверление направляющего отверстия до размера, ожидаемого протяжкой

Направляющее отверстие сверлится до диаметра, который протяжка должна следовать. Сверление его с увеличенным размером приводит к тому, что каждый зуб снимает меньший слой, чем предполагалось, что позволяет протяжке смещаться вместо резки, и результирующее отверстие становится шире на выходе, чем на входе. Сверление его с уменьшенным размером перегружает зубья и способствует образованию большого заусенца на выходной грани.

Шаг 4 - Протяжка квадрата, направляемая по реперу фланца

Протяжка вводится через направляющую, которая удерживает ее угловое положение, с ориентированием детали так, чтобы грани были расположены относительно рисунка фланца, как на чертеже. Это шаг, который окончательно фиксирует угловое положение детали, поэтому именно на этом шаге оператор проверяет установку, а не готовую деталь.

Шаг 5 - Снятие заусенцев с выходной кромки и соблюдение радиуса скругления угла

Протяжка проталкивает заусенец перед последним зубом, и заусенец собирается на выходной грани. Выходная кромка снимается без нарушения фаски, предусмотренной чертежом, а радиусы скругления углов в отверстии проверяются по радиусу, для которого облегчен соответствующий квадратный вал.

Шаг 6 - Черное анодирование до однородного покрытия

Ступица анодируется черным цветом. Пленка растет как из поверхности алюминия, так и внутрь нее, поэтому отверстие и отверстия фланцев немного сужаются, а линия анодирования указывает, какие размеры важны для посадки, а какие защищены. Деталь, которая подходит до анодирования и не подходит после него, обычно была испорчена здесь, а не на станке.

Шаг 7 - Лазерная маркировка от того же репера

Идентификационная маркировка наносится на корпус между фланцами, относительно того же репера, который задал квадрат и рисунки фланцев, поэтому маркировка попадает в одно и то же место относительно граней на каждой детали. На черной анодированной поверхности контраст маркировки делает ее читаемой, поэтому маркировка проверяется на готовой детали, а не на образце перед анодированием.

Шаг 8 - Проверка квадрата по глубине и углового положения относительно отверстия фланца

Окончательная проверка включает ширину между параллельными гранями на трех глубинах, угловое положение граней относительно рисунка отверстий фланца, концентричность фланцев, положение канавки, покрытие и маркировку. Проверка квадрата только у грани — это единственная привычка проверки, которая позволяет плохой партии покинуть цех.

Что измерили при партии из 1600 штук?

Шестнадцать сотен ступиц отгружены за 22 дня, и заказчик сообщил об отсутствии ручной подгонки при сборке и об отсутствии ошибок в угловом положении на линии.

Ошибка, которую мы обнаружили в нашем собственном пробном запуске

Пробная партия из пятидесяти штук прошла проверку на измерительном стенде и не прошла проверку на калибре, и причиной стало наше направляющее отверстие.

Каждая пробная деталь измерялась в пределах диапазона ширины между параллельными гранями у входной грани. Когда мы измерили те же детали у выходной грани, ширина была на 0,02 мм больше, с большим заусенцем на выходной кромке. Мы просверлили направляющее отверстие на 0,04 мм больше, чем размер, который протяжка должна была следовать, исходя из того, что немного большее направляющее отверстие облегчит нагрузку на резку и продлит срок службы протяжки. Произошло обратное: с меньшим количеством материала для удаления, зубья резали легко, протяжка свободно смещалась в отверстии вместо того, чтобы направляться резом, и последние зубья расширили отверстие на выходном конце.

Три изменения были внедрены в производство. Диаметр направляющего отверстия был привязан к требованиям протяжки и проверялся на первой детали каждой партии. Была добавлена направляющая втулка, чтобы протяжка начинала работу в фиксированном угловом положении. И ширина между параллельными гранями измерялась на трех глубинах каждые 100 штук, что является проверкой, которая поймала бы отклонение на пробных деталях при одном измерении.

Между пробным и производственным запуском конусность отверстия исчезла, а заусенец на выходе перестал быть проблемой снятия заусенцев.

Три способа вырезать внутренний квадрат, в сравнении

Практическое правило: протяжка выигрывает по себестоимости, когда форма повторяется, фрезерование выигрывает, когда геометрия еще меняется, а электроэрозионная обработка выигрывает, когда радиус скругления угла или материал диктуют два других варианта. На этой детали квадрат повторяется на каждом изделии, поэтому протяжка окупилась в рамках первого заказа.

FAQ

Почему квадратное отверстие, полученное протяжкой, тугое с одного конца и свободное с другого?

Потому что протяжка режет прогрессивно, зуб за зубом, по глубине отверстия. Если нагрузка на резку изменяется вдоль хода, или если инструмент изнашивается во время работы, или если направляющее отверстие не соответствует размеру, для которого предназначена протяжка, грани оказываются на несколько сотых миллиметра разными между входной и выходной гранями. Проверка у входа в отверстие не покажет этого, поэтому ширину между параллельными гранями необходимо измерять на нескольких глубинах.

Можно ли фрезеровать квадратное отверстие вместо протяжки?

Да, и для прототипов это обычно делается. Небольшой фрезер формирует углы, а больший очищает грани. Это хорошо работает, когда квадрат большой, количество низкое или геометрия еще меняется, но радиус скругления угла ограничен самым маленьким фрезером, который вы можете использовать, а себестоимость остается высокой, потому что каждая деталь следует всей траектории инструмента.

Какой радиус скругления угла имеет квадратное отверстие, полученное протяжкой?

Он определяется радиусом скругления углов зубьев протяжки и не может быть нулевым, потому что режущая кромка с острым внутренним углом немедленно сломается. На чертеже должен быть указан радиус, который может иметь отверстие, а соответствующий квадратный вал должен быть облегчен для соответствия. Когда вал остается острым, он контактирует с радиусами скругления углов вместо граней и ощущается как посадка с натягом, даже если ширина между гранями правильная.

Как проверить угловое положение квадратного отверстия относительно отверстий фланца?

С помощью калибра, который ссылается на отверстие фланца и считывает угловое положение граней, а не на глаз или путем установки вала. Это должно делаться на каждой детали, потому что угловое положение фиксируется при входе протяжки, и ни одна последующая операция не может повернуть отверстие. По этому заказу проверка проводится на 100% деталей, наряду с индексом фланца и концентричностью фланца.

Что указать на вашем чертеже?

Шесть строк решают почти все споры о квадратном отверстии, полученном протяжкой:

1. Укажите ширину между параллельными гранями с допуском и укажите, что он применяется по всей глубине отверстия, а не у входной грани.
2. Укажите угловое положение граней относительно названного отверстия фланца с допуском и назовите репер, от которого оно измеряется.
3. Укажите радиус скругления угла, который может иметь отверстие, и укажите облегчение на соответствующем валу.
4. Укажите отношение отверстия к оси фланца как требование к концентричности или биению.
5. Укажите, какие поверхности защищены во время анодирования, и что покрытие может сделать с отверстием и отверстиями фланцев.
6. Укажите, где располагается лазерная маркировка относительно граней, чтобы маркировка и квадрат были установлены от одного и того же репера.

Ступица — это набор деталей, которые все ссылаются на одну ось и одно угловое положение, а квадратное отверстие — это деталь, которая фиксирует угловое положение. Правильно укажите квадрат, и остальная часть детали — это обычная токарная и фрезерная работа: концентричные фланцы, совпадающие отверстия и маркировка, которая попадает в одно и то же место на каждом изделии.

PFT - токарная обработка, токарно-фрезерная обработка, протяжка и анодирование алюминиевых приводных компонентов, от прототипа до серийного производства. Отправьте нам ваш чертеж для обзора DFM и получения предложения в тот же день.