Технология конструкционных материалов и материаловедение - 2004.. Коротких М. Т. Технология конструкционных материалов и
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
7.3.2 Фрезерная обработка Кинематической особенностью фрезерования является вращение инструмента и поступательное или сложное движение заготовки (рис.7.5). При фрезеровании происходит прерывистое нагружение лезвий инструмента, что приводит к значительным динамическим усилиям и является причиной возникновения вибраций. Поэтому при фрезеровании сечение среза одним лезвием инструмента существенно меньше, чем при точении. При фрезеровании в большей степени, чем при точении, геометрия обработанной поверхности зависит от формы инструмента. Типаж фрез очень широк, а кинематика процесса позволяет получать сколь угодно сложные поверхности (рис.7.6). Рис.7.5 Время обработки поверхности при фрезеровании: L L L * ¶ * D фр Т = ---- = ---------- = ------------------ , мин S м S z n Z 1000 * V * S z * Z где L- длина прохода фрезы, D фр - диаметр фрезы, Z - число зубьев фрезы, V - скорость резания, S z - подача на зуб. Производительность обработки могла бы быть сколь угодно высокой, если бы величина управляющих параметров не была ограничена физическими факторами. Так же, как и при точении, скорость резания ограничена теплостойкостью инструментального материала, и при превышении определённого предела быстрый износ инструмента делает процесс экономически невыгодным. Выбор глубины резания и подачи на зуб должен быть увязан с прочностью режущего инструмента. При выборе величины подачи на зуб следует также учитывать требования к шероховатости обработанной поверхности. Технологические возможности фрезерования 1. Обрабатываемый материал. Обычно это незакаленные стали, цветные металлы, сплавы с твердостью менее HRC40. Появление современных сверхтвердых материалов позволяет, в ряде случаев, обрабатывать плоские поверхности закаленных сталей, но процесс не нашел широкого применения из- за узких технологических возможностей (только открытые плоские поверхности) и недостаточной точностью обычных фрезерных станков. 2.Форма и размеры получаемой поверхности может быть чрезвычайно сложной. Например, при обработке на копировально-фрезерных станках лопаток турбин, гребных винтов судов и т.д. Фрезерные станки могут быть чрезвычайно малых размеров (гравировально-фрезерные) и гигантских размеров, для обработки деталей с размерами более 20м (продольно-фрезерные и специальные станки). 3 Экономическая точность обработки при фрезеровании 9-14 квалитеты. Шероховатость Rz=80 – Rz=10. В ряде случаев точность может достигать 7 квалитета, при шероховатости Rz=5. Рис.7.6 , Различные схемы обработки поверхностей фрезерованием: а,б- плоскости цилиндрической и торцевой фрезой, в,г- паза концевой и дисковой фрезой, д – профильной поверхности фасонной фрезой, е – поверхности двойной кривизны концевой фрезой при перемещении ее по сложной траектории, ж- фрезерование вращающейся заготовки (ротационное фрезерование) Вопросы для самопроверки: 1.Выбор каких управляющих параметров определяет производительность обработки конкретной поверхности? 2. Почему максимально допустимое сечение срезаемого слоя одним лезвием инструмента при фрезеровании меньше, чем при точении? 3.Какие виды поверхностей невозможно обработать фрезерованием? 4.Какова достигаемая фрезерованием точность и шероховатость обработанных поверхностей? 5. В каких единицах измеряются: частота вращения фрезы, подача на зуб, глубина фрезерования, ширина фрезерования? 7.3.3 Обработка отверстий резанием Обработка отверстий настолько распространенная операция, что для ее выполнения, наряду с токарными, применяются специальные станки: вертикально- и радиально-сверлильные, горизонтально-расточные, координатно-расточные, алмазно-расточные и т.д. Наиболее сложной при обработке отверстий является операция сверления сплошного материала. В данном случае на инструмент действуют большие силы резания, но конструкция его должна обеспечить отвод большого количества стружки. Для этого на инструменте выполняют глубокие канавки, что уменьшает его жесткость и прочность (рис.7.7). В настоящее время для сверления отверстий в сплошном материале применяют спиральные сверла (с 19-го века). Однако при обработке глубоких отверстий, при глубине более 10 диаметров, спиральные сверла не могут обеспечить выход стружки, поэтому приходится применять специальные сверла (ружейные, пушечные), в которых выход стружки обеспечивается подачей жидкости под большим давлением. Из-за высоких нагрузок на режущие кромки, низкой жесткости инструмента, царапания стенок отверстия отводимой стружкой, сверление спиральным сверлом может обеспечить только 12-14 квалитеты точности, при шероховатости Rz=40-80мкм. Рис.7.7 Существенное повышение точности можно получить, проводя окончательную обработку дополнительным рассверливанием (рис.7.7). При этом можно выбрать глубину резания "t" достаточно малой, чтобы обеспечить существенно меньшие силы резания и обьем стружки, не повреждающий стенки обработанного отверстия. При рассверливании точность может быть повышена до 10-12 квалитетов. При обработке более точных отверстий, после сверления, применяют операции зенкерования и развертывания. Рис.7.8 За счет увеличения количества режущих кромок инструмента при существенном снижении глубины резания (нагрузок) удается повысить точность отверстий - при зенкеровании до 9-10квалитетов точности (Ra =2,5 - 5), а при развертывании до 6-8 квалитетов (Rа =0,63-1,25). 7.3.4 Способы обработки резанием Кроме указанных, применяются и ряд более редких схем обработки металлов резанием: строгание, долбление, протягивание, шевингование и т.д. Рис.7.9 Контрольные вопросы: 1.Почему при сверлении трудно обеспечить низкую шероховатость обработанной поверхности? 2.Почему спиральным сверлом невозможно обрабатывать "глубокие" отверстия? 3. Какими методами обработки резанием, кроме фрезерования, можно получить плоскую поверхность? 4.С какой целью производится развертывание отверстий? 5.На каких металлорежущих станках невозможно обрабатывать отверстия? Образец карты тестового контроля: 1. Какие поверхности по форме возможно получить токарным методом: а). плоские и цилиндрические; б). поверхности вращения и винтовые поверхности; в). любые поверхности 2. Какой метод обработки отверстий позволяет получать более точные поверхности: а). сверление; б). развертывание; в). зенкерование; 3. Почему обработка более точной поверхности резанием дороже: а). из-за необходимости снижения скорости резания; б). из-за применения более дорогого станка и инструмента; в). из-за обработки поверхности за несколько проходов; 4. Почему получение резанием поверхности с малой шероховатостью дороже, чем с большой: а). из-за необходимости уменьшения подачи; б). из-за применения более дорогого станка и инструмента; в). из-за обработки поверхности за несколько проходов; 5. Какими фрезами обрабатывают сложные по форме поверхности: а). фасонными и концевыми; б). цилиндрическими и концевыми; в). фасонными и грибковыми; 8. Абразивная обработка Осуществляется воздействием на заготовку множеством неориентированных лезвий. При этом, в зависимости от ориентации зерна и его остроты может происходить резание, царапание или трение зерна и обрабатываемого материала (рис.8.1) : Рис.8.1 Характер протекающего явления при воздействии одного лезвия (абразивного зерна ) зависит от переднего угла и радиуса округления лезвия (R). При воздействии множеством абразивных зерен съем материала будет определяться процессами микрорезания, осуществляемыми благоприятно ориентированными зернами. В качестве абразивного материала применяют мелкие (до 2мм) кристаллы сверхтвердых веществ. Наиболее широко используются: электрокорунд (Al 2 O 3 ), карбид кремния (SiC), карбид бора (B 4 C), искусственные алмазы, кубический нитрид бора (эльбор,BN). Из кристаллов абразивного материала с помощью связки получают шлифовальный инструмент требуемой формы (круги, бруски и т.д.) (рис.8.2). Для объединения кристаллов в прочный инструмент применяются керамические, металлические, органические связки, имеющие свои конкретные преимущества в определенных условиях применения. Так, керамические связки обеспечивают высокую прочность инструмента, но хрупки и не выдерживают ударных и вибрационных нагрузок. Органические связки могут быть прочными и элластичными, но не обладают достаточной термостойкостью (менее 200°С), поэтому разрушаются при нагреве инструмента. Важнейшей характеристикой связки является прочность удержания ею зерен абразивного материала. Эта характеристика, называемая твердостью круга, во многом определяет его работоспособность в конкретных условиях обработки. Дело в том, что работают только зерна, находящиеся на поверхности круга, и при любых условиях они в конце концов затупляются. При этом они перестают резать, а только нагревают поверхность заготовки. Поэтому прочность связки должна быть выбрана так, чтобы при затуплении зерна и возрастании действующих на него нагрузок оно отделилось (вылетело) от инструмента. По мере удаления затупленных зубьев обнажаются зерна, находившиеся в глубине и обладающие острыми кромками. Такой процесс называется самозатачиванием абразивного инструмента и его нормальное протекание определяется правильным выбором характеристики связки (твердости круга). Рис.8.2 Различные формы инструмента и кинематика его движения относительно заготовки позволяют получать различные формы поверхностей (рис.8.3…8.6). Рис.8.3 Рис.8.4 Рис.8.5 Рис.8.6 А – схема профильного шлифования, Б – плоское шлифование торцем круга, В – ленточное шлифование, Г – шлифование резьбы, Д – внутреннее планетарное шлифование Для реализации различных схем шлифования существует широкий типаж шлифовальных станков, определяемых обычно по виду получаемых поверхностей (плоскошлифовальные, круглошлифовальные, внутришлифовальные, зубошлифовальные, заточные и др. шлифовальные станки). Характерной особенностью процессов шлифования является высокая скорость главного движения Dг (обычно 30-80м/с, иногда до 300м/с). Глубина же резания и подача обычно не велики и действующие на заготовку и инструмент силы незначительны. Поэтому шлифованием можно получить наиболее высокую точность обработки при минимальной шероховатости поверхности (до 3-4 квалитета точности, Ra до 0,1мкм). Высокие скорости резания могут приводить к существенному нагреву поверхностных слоев заготовки, что может отразиться на качестве получаемого изделия. Поэтому при шлифовании обычно применяют смазочно- охлаждающие жидкости (СОЖ). Применение жидкостного охлаждения при шлифовании существенно снижает запыленность рабочей зоны разрушенными частицами абразива и связки, которые вредно действуют на здоровье обслуживающего персонала и могут приводить к возникновению профессиональных заболеваний (силикоз). Характерной особенностью шлифования является зависимость достигаемой точности и шероховатости от параметров инструмента. Так величина зерна (характеристика - зернистость) определяет производительность процесса и шероховатость. Чем крупнее зерна абразива в круге, тем больше производительность удаления материала заготовки, но выше шероховатость. Поэтому часто шлифование проводят в два этапа: на первом удаляют основной припуск и увеличивают точность, а на втором, другим (мелкозернистым) инструментом достигают заданной точности и шероховатости. Шлифованием можно обрабатывать сколь угодно твердые материалы, естественно, что абразивный материал должен применяться более твердый, чем обрабатываемый. Шлифованием обрабатывают точные поверхности деталей машин, выполненные из различных материалов, стеклянные изделия (линзы, хрусталь), кристаллы (например, драгоценные камни: алмаз, рубин, изумруд) и т.д. Во многих случаях шлифование является единственным методом достижения заданной точности и шероховатости (например, в оптике, микроэлектронике). Последовательность выбора управляющих параметров процесса при шлифовании 1.Выбор характеристики круга Рекомендуемый материал абразивных зерен Таблица 8.1 ┌────────────────────────┬───────────────────────────────┐ │Обрабатываемый материал │Материал абразивных зерен │ ├────────────────────────┼───────────────────────────────┤ │Сталь конструкционная, │Электрокорунд, монокорунд, │ │незакаленная и закален- │эльбор │ │ная, инструментальные │ │ │стали, нержавеющие │ │ │и жаропрочные стали │ │ │ │ │ │Титановые сплавы, │Карбид кремния зеленый, │ │сплавы на основе меди │черный │ │ │ │ │Металлокерамические │ Искусственный алмаз │ │твердые сплавы, стекло, │ │ │кристаллы драгоценных │ │ │камней │ │ └────────────────────────┴───────────────────────────────┘ Зернистость выбирают по требуемой шероховатости обрабатываемой Поверхности. Твердость круга обычно выбирается с учетом правила: - чем тверже обрабатываемый материал, тем мягче следует применять круг. Надо помнить, что твердость круга не связана с твердостью абразивных зерен, а всего лишь определяет прочность их удержания в структуре круга. При обработке закаленных сталей обычно используют круги твердостью М3 ...СМ2. Конструкция инструмента обычно определяет предельную окружную скорость резания, поэтому на этом этапе определяется и скорость главного движения (20 ...80 м/с). 2.Выбирают глубину резания t (либо поперечную подачу Sп). На черновых проходах t = 0,05-0,1мм/дв.ход На чистовых проходах t = 0,005 - 0,02 мм/дв.ход 3.Определяют продольную (круговую) подачу по рекомендациям нор- мативов для конкретных условий обработки. 4.Определяют мощность потребную на шлифование и корректируют режимы в случае необходимости. 5.Определяют машинное время, потребное для обработки повер- хности. Ряд процессов обработки связанным абразивом производится на относительно невысоких скоростях резания и применяется в специфических условиях получения строго цилиндрических внутренних и наружных поверхностей (рис.8.7). Рис.8.7 Хонингование в настоящее время широко применяется при обработке цилиндров двигателей, компрессоров, т.к. позволяет создать рельеф поверхности хорошо удерживающий смазку. Абразивная обработка несвязанным абразивным порошком применяется обычно в тех случаях, когда нужно обеспечить только низкую шероховатость поверхности при невысоких требованиях к ее точности (рис.8.8). Рис.8.8 В этих случаях абразивный материал применяется в виде порошка, паст, наносимых на поверхность эластичного и мягкого носителя (круги из кожи, фетра, различные тканевые ленты и т.д.). Достижимая шероховатость может быть предельной (менее 0,05мкм) и зависит от величины зерен применяемого абразивного материала. (Самый мелкий из применяемых абразивных порошков имеет величину зерна менее 1мкм). Абразивный порошок в процессе шлифования или полирования может находиться и в струе быстродвижущейся жидкости (гидроабразивная обработка). При этом воздействие зерен происходит за счет их кинетической энергии и гидравлического напора. Такая обработка позволяет полировать труднодоступные для обычных методов полирования поверхности. Следует отметить, что наибольшую точность при минимальной шероховатости поверхности обеспечивает притирка (рис.8.9), при которой абразив в виде пасты или порошка наносится на специальный инструмент - притир, который выполняется из материала менее твердого, чем обрабатываемый. Рис.8.9 В процессе движения поверхности притира относительно обрабатываемой поверхности частицы абразива внедряются в поверхность притира "шаржируют" его. При этом они снимают тончайшие стружки с поверхности обрабатываемого изделия. При притирке обрабатываемая поверхность приобретает геометрические параметры поверхности притира, или ее геометрия определяется кинематикой движения притира и заготовки друг относительно друга. Притирка позволяет повысить точность до 1-2 квалитетов и, в ряде случаев, получить шероховатость поверхности до Ra=0,05мкм. Вопросы для самопроверки: 1.Какие материалы используются в технике в качестве абразивных? 2.Какие виды связок применяются при изготовлении абразивного инструмента? 3.Что характеризует твердость шлифовального круга? 4.За счет чего происходит самозатачивание шлифовального круга? 5.С какой целью проводится шлифование заготовок деталей машин? 6.Какова основная цель полирования поверхностей деталей машин? 7.С какой целью проводится притирка поверхностей деталей машин? 8.Из каких составляющих состоит абразивный инструмент? 9.Чем обусловлена предельная скорость вращения шлифовального круга? 10.Назовите типичный диапазон скоростей главного движения при шлифовании. Образец карты тестового контроля: 1. Какие материалы абразивных зерен следует применять при шлифовании стали: а). Электрокорунд, эльбор б). Карбид кремния, алмаз в). Карбид бора 2. Какую наивысшую точность размеров можно достичь при обработке шлифованием: а). 1…2 квалитет б). 6…8 квалитет в). 9…14 квалитет 3. Какие параметры заготовки и процесса шлифования определяются величиной зерен шлифовального круга: а). шероховатость, производительность б). точность, себестоимость в). нагрев заготовки, самозатачиваемость шлифовального круга 4. Какие материалы можно обрабатывать шлифованием: а). только твердые и хрупкие б). все в). кристаллические 5. Почему шлифованием нельзя полностью заменить обработку резанием: а). из-за низкой производительности б). из-за вредности процесса в). из-за шаржирования абразивными зернами обработанной поверхности 9. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов Развитие этих методов было обусловлено: - появлением ряда конструкционных материалов, обработка которых традиционными методами была невозможна или весьма непроизводительна, - обеспечением новых условий и возможностей формообразования, недоступных традиционным методам резания и шлифования, - высокой производительностью, значительно превышающей производительность "обычных" методов обработки. |