Основы размерной обработки заготовок деталей машин

 

Эксплуатационные свойства машин и механизмов в значительной мере определяются точностью изготовления деталей, качеством их рабочих поверхностей. Под точностью изготовления понимают отклонение фактических геометрических размеров и формы поверхности (неплоскосность, конусообразность, перекос и неперпендикулярность осей) от предельных значений, указанных в рабочих чертежах. Качество поверхности характеризуется ее шероховатостью, величиной и знаком остаточных напряжений в поверхностном слое, ее структурой и химическим составом. Требования точности и качества назначает конструктор на основе эксплуатационных требований к детали и рекомендаций ГОСТа. Несоблюдение заданных требований точности и качества детали в процессе ее изготовления может стать причиной снижения эксплуатационных свойств, надежности машин и их преждевременного выхода из строя.

Рассмотренные в предыдущих лекциях высокопроизводительные и экономичные способы формообразования деталей методами литья, обработки давлением и способы с применением сварки по своим технологическим возможностям не в состоянии обеспечить точность, необходимую для изготовления большинства деталей машин и механизмов. Поэтому полученные указанными методами изделия используются в качестве заготовок. Эти заготовки изготавливают несколько больших размеров с технологическим припуском. Наличие припуска позволяет методами размерной обработки получать деталь требуемой точности путем управляемого съема металла припуска. Чем точнее изготовлена заготовка, тем меньше требуемая величина припуска и тем ниже трудоемкость последующей размерной обработки заготовки. Многообразие используемых в современных конструкциях деталей различного типоразмера и материала требует применения эффективных способов размерной обработки.

Все способы размерной обработки деталей классифицируют по виду используемой энергии на механические, физико-химические и комбинированные.

Механические делятся на: 1) точение; 2) сверление; 3) строгание; 4) фрезерование; 5) протягивание; 6) шлифование; 7) отделочные операции.

В основу классификации способов механической обработки заложен вид используемого инструмента и кинематика движений. Так, в качестве инструмента при точении используются токарные резцы; при сверлении – сверла; при фрезеровании – фрезы; при строгании – строгальные резцы; при протягивании – протяжки; при шлифовании – шлифовальные круги; при хонинговании – хоны; а при суперфинише – абразивные бруски.

Физико-химические методы подразделяются на: 1) электроэрозионную; 2) электрохимическую; 3) лучевую; 4) ультразвуковую.

Комбинированные методы: ультразвуковая механическая обработка; плазменно-механическая; электрохимическое шлифование. Эти методы одновременно совмещают несколько традиционных методов.

Обработка резанием – это процесс получения деталей требуемой геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхностей за счет механического срезания с поверхностей заготовки режущим инструментом материала технологического припуска в виде стружки.

Основным режущим элементом любого инструмента является режущий клин. Его твердость и прочность должны существенно превосходить твердость и прочность обрабатываемого материала, обеспечивая его режущие свойства. К инструменту прикладывается усилие резания, равное силе сопротивления материала резанию, и сообщается перемещение относительно заготовки со скоростью V. Под действием приложенного усилия режущий клин врезается в заготовку и, разрушая обрабатываемый материал, срезает с поверхности заготовки стружку.

Внешний вид стружки характеризует процессы деформирования и разрушения материала, происходящие при резании. Различают четыре возможных типа образующихся стружек: сливная; суставчатая; элементная и стружка надлома.

В процессе резания режущий клин, испытывая интенсивное трение, контактирует с материалом стружки и обработанной поверхностью в контактных зонах. Для снижения сил трения и нагрева инструмента применяют принудительное охлаждение зоны резания смазочно-охлаждающими средами (СОС), подавая их в зону резания специальными устройствами.

В зависимости от используемого типа инструмента способы механической обработки подразделяются на лезвийную и абразивную. Отличительной особенностью лезвийной обработки является наличие у обрабатываемого инструмента острой режущей кромки определенной геометрической формы, а для абразивной обработки – наличие различным образом ориентированных режущих зерен абразивного инструмента, каждое из которых представляет собой микроклин.

Основными способами лезвийной обработки являются точение, сверление, фрезерование, строгание и протягивание. Способы абразивной обработки – шлифование, хонингование и суперфиниширование (полирование).

Любой способ обработки включает два движения: главное – движение резания и вспомогательное – движение подачи. Подача – это расстояние между положениями режущей кромки за определенный промежуток времени. Главное движение обеспечивает съем металла, а вспомогательное – подачу в зону обработки следующего необработанного участка заготовки. Эти движения осуществляются за счет перемещения заготовки или инструмента.

В процессах сверления, точения, фрезерования и шлифования главное движение подачи выполняются одновременно, а в процессах строгания, хонингования движение подачи выполняется после главного движения.

К основным параметрам режима резания относятся скорость главного движения резания, скорость подачи и глубина резания. Скорость главного движения резанияопределяется максимальной линейной скоростью главного движения режущей кромки инструмента. Эта скорость выражается в м/с. Если главное движение резания вращательное, как при точении, сверлении, фрезеровании и шлифовании, то скорость резания будет определяться линейной скоростью главного движения наиболее удаленной от оси вращения точки режущей кромки – максимальной линейной скоростью главного движения:

v = ωD/2,

где D – максимальный диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, определяющий положение наиболее удаленной от оси вращения точки режущей кромки; ω – угловая скорость.

Выразив угловую скорость ω через частоту вращения шпинделя станка n, получим: v =πnD.

При строгании и протягивании скорость резания определяется скоростью перемещения строгального резца и протяжки в процессе резания относительно заготовки. При хонинговании и суперфинишировании скорость резания определяется с учетом осевого перемещения инструмента. Скорость резания оказывает наибольшее влияние на производительность процесса, стойкость инструмента и качество обработанной поверхности.

Подача инструментаопределяется скоростью подачи V_s. В технологических расчетах параметров режима при точении, сверлении, фрезеровании и шлифовании используется понятие подачи на один оборот заготовки So, мм/об. Подача на один оборот численно равна перемещению инструмента за время одного оборота: S₀ = V_s/n.

Глубина резания h определяется расстоянием по нормали от обработанной поверхности заготовки до обрабатываемой, мм. Глубину резания задают на каждый рабочий ход инструмента. Геометрические параметры режущего инструментаопределяютсяуглами, образуемыми пересечением поверхностей лезвия, а также положением поверхностей режущих лезвий относительно обрабатываемой поверхности и направлением главного движения.

Силы резанияР представляют собой силы, действующие на режущий инструмент в процессе упругопластической деформации и разрушения срезаемой стружки. Мощность процесса резания определяется: N = P_S v

Производительность обработки при резании определяется числом деталей, изготовляемых в единицу времени: Q = 1/T_шт. Время изготовления одной детали равно: T_шт = То +Т_ин +Т_всп, где То – машинное время обработки, затрачиваемое на процесс резания, определяется для каждого технологического способа; Т_ин – время подвода и отвода инструмента при обработке одной детали; Т_всп – вспомогательное время установки и настройки инструмента. При обработке резанием решается задача по установлению максимально допустимой производительности при сохранении требуемого качества поверхности и стойкости инструмента.

Электроэрозионная обработка основана на использовании явления электрической эрозии – разрушения материала электродов при электрическом пробое межэлектродного промежутка. Размерная электроэрозионная обработка заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности заготовки путем съема материала припуска за счет управляемого процесса электрической эрозии. Для неё требуется генератор электрических импульсов, рабочая жидкость (низкомолекулярные углеводороды различной вязкости – керосин, индустриальное масло, трансформаторное масло и их смеси, вода, кремнийорганические жидкости и водные растворы спиртов), электроды.

Размерная электрохимическая обработка заключается в получении деталей требуемой геометрической формы, размеров и качества поверхности путем снятия с поверхности заготовок слоя металла припуска электрохимическим растворением. Электрохимическая обработка основана на явлении анодного растворения металлов при электролизе.

Область эффективного использования электрохимической обработки обусловлена следующими технологическими особенностями:

- способ позволяет обрабатывать только электропроводные материалы;

- производительность способа не зависит от твердости и прочности обрабатываемых материалов и в несколько раз превосходит производительность обработки резанием заготовок из высокопрочных твердых сплавов, металлокерамики и сталей в закаленном состоянии;

- способ позволяет обрабатывать поверхности любой формы;

- в металле обработанной поверхности отсутствуют остаточные напряжения и наклеп.

Недостатком метода является ограничение его применения обработкой только таких электропроводных материалов, которые при растворении не образуют труднорастворимых пленок. Для этих материалов наряду с электрохимическим воздействием требуется механическое или электротермическое воздействие, удаляющее образующиеся оксидные пленки.

Ультразвуковая абразивная размерная обработка заключается в изменении размеров, формы, шероховатостей и свойств поверхности обрабатываемых заготовок за счет съема материала припуска хрупким скалыванием микрообъемов при импульсном ударном силовом воздействии частиц свободного абразива с ультразвуковой частотой f = 16-30 кГц.

Ультразвуковая абразивная обработка эффективна при обработке заготовок из конструкционных материалов, имеющих низкую обрабатываемость резанием, электрофизическим и электрохимическим методами. Это заготовки из хрупких и твердых неэлектропроводных химически стойких материалов, таких, как стекло, кварц, керамика, алмаз, полупроводники.

При обработке используется энергия ультразвуковых колебаний. Главное движение при ультразвуковой обработке – продольные колебания торца инструмента с ультразвуковой частотой и амплитудой.

К лучевым методам электрофизической обработки относятся электронно-лучевая и светолучевая обработки. Различие носителей энергии обусловило технологические особенности методов лучевой обработки. При электронно-лучевой размерной обработке для съема материала при формообразовании используют кинетическую энергию сфокусированного пучка электронов. Формирование, фокусировка и управление электронным лучом осуществляются в электронной пушке. Электронно-лучевой нагрев ведется в импульсном режиме. При используемой удельной мощности тепловое воздействие луча приводит к разрушению нагреваемого микрообъема материала за время одного импульса. Разрушение происходит по механизму взрывного вскипания с выносом материала из зоны обработки в виде паров и капель. В результате на бомбардируемом электронным лучом участке поверхности формируется лунка.

Светолучевая (лазерная) размерная обработка использует для съема материала при формообразовании деталей сфокусированный поток электромагнитной энергии высокой мощности, сформированный оптическим квантовым генератором. Светолучевая обработка ведется на воздухе и не требует специальных вакуумных камер. Она позволяет обрабатывать любые материалы независимо от их твердости и вязкости. Метод используется для сверления отверстий, вырезания заготовок, фрезерования пазов и другого.

Комбинированные методы являются результатом научно-технического совершенствования процессов размерной обработки. Они повышают производительность, точность обработки и ее экономические показатели. Например, ультразвуковая механическая обработка включает операции точения, фрезерования, строгания, протягивания, сверления, зенкерования и нарезания резьб. Ультразвуковые колебания прикладываются к инструменту в осевом направлении подачи. В качестве оборудования при ультразвуковом механическом резании используются стандартные станки, оснащенные сменными ультразвуковыми головками. Эффективность применения способа определяется надежностью работы ультразвуковых головок и качеством акустических контактов.

Плазменная механическая обработка включает локальный нагрев срезаемого слоя плазменной струей и последующий съем этого слоя режущим инструментом. Удаляемый при резании металл нагревают плазменным электрическим разрядом на расстоянии, исключающем разогрев режущего инструмента. Регулированием тока разряда обеспечивается нагрев металла на глубину резания до высоких температур.

Электрохимическое шлифованиевыполняют токопроводящим алмазным или абразивным кругом на металлической связке, являющимся катодом в электролите. Преимущества этого метода по сравнению с традиционным шлифованием следующие: исключаются сколы и трещины при обработке хрупких сплавов; исключаются прижоги при обработке вязких сталей; резко повышается производительность. При электрохимическом шлифовании несколько снижается износ круга и его засаливание, обеспечивается обработка материалов, образующих нерастворимые пленки, исключающие обработку материала методами электрохимической размерной обработки.

 

Вопросы для самопроверки по второму разделу

 

1. Что такое литейная форма и для чего она предназначена?

2. Какие свойства формовочных смесей Вы знаете?

3. Для чего необходима литниковая система?

4. Из каких материалов изготавливают кокиль?

5. Перечислите способы получения отливок.

6. На каком свойстве металлических сплавов основана ОМД?

7. Назовите инструмент и оборудование для прокатки сплавов?

8. Назовите характерные особенности процесса прессования.

9. Какие условия необходимы для выполнения сварки?

10. Чем отличается сварка от пайки?