1.5.3. Обработка резанием
Обработка резанием заготовок – основное средство достижения нор- мативной точности геометрических параметров изготавливаемых деталей.
Ее также применяют для подготовки поверхностей под нанесение покры- тий. На этот вид обработки приходится 25…28 % общей трудоемкости из- готовления деталей.
Обработка резанием заготовок включает блоки таких операций: чер- новых, чистовых и отделочных. В начале обработки обеспечивают необхо- димое расположение поверхностей и форму элементов детали. Затем обра- батываемым элементам придают необходимую точность размеров. На по- следней операции создают нормативную шероховатость поверхности без ухудшения достигнутых ранее значений параметров расположения и фор- мы элементов и их размеров. Однако финишные методы обработки (тонкое шлифование, хонингование, электроимпульсное полирование) в ряде слу- чаев обеспечивают не только заданную шероховатость поверхностей, но и нормативную точность размеров.
34
Обработка заготовок резанием в зависимости от вида применяемого инструмента бывает лезвийной или абразивной.
Лезвийной обработке подлежат заготовки из относительно пластич- ных материалов – малоуглеродистых сталей, алюминиевых и медных сплавов, а также заготовки с покрытиями из самофлюсующихся сплавов твердостью до 45 HRC. Заготовки точат (в том числе ротационным инст- рументом), фрезеруют, строгают и сверлят. Лезвийная обработка покрытий из высоколегированных и коррозионно-стойких сталей выполняется в том случае, когда припуск на обработку превышает 0,25 мм на сторону, а твер- дость материала не превышает 3000 МПа (35...45 HRC). По мере развития инструментальных материалов область лезвийной обработки расширяется.
Если твердость заготовки не позволяет применить лезвийную обра- ботку или когда необходимо получить высокую точность детали с малой шероховатостью поверхностей, то применяют абразивную обработку. Она обеспечивает высокое качество поверхностного слоя и является основной при обработке износостойких твердых покрытий. Например, покрытия на основе керамики или карбида вольфрама могут быть обработаны только шлифованием.
1.5.4. Инструментальные материалы и смазывающе-охлаждающие
жидкости
Основу инструментальных материалов для лезвийной обработки со- ставляют быстрорежущие стали (65...75 % объемов) и твердые сплавы
(16...18 %). Около 7 % их объемов приходится на керамические и сверх- твердые материалы. Совершенствование инструментальных материалов направлено на обеспечение сочетания максимальной износостойкости и термической стойкости с обеспечением высокой вязкости и прочности при изгибе (рис. 1.12).
Быстрорежущие материалы представлены, например, сталью Р6М5 и сталями с повышенным содержанием кобальта (до 5...8 %).
Твердые сплавы, полученные методом порошковой металлургии, бы- вают однокарбидными типа ВК, двухкарбидными – ТК и трехкарбидными –
ТТК. Твердосплавные материалы выпускают в виде перетачиваемых пла- стинок, закрепляемых пайкой, и неперетачиваемых пластинок с механиче- ским креплением. Применяют треугольные, ромбические и квадратные пла- стинки с лункой вместо отверстия для сохранения прочности изделия. Соз- даны сменные пластины с диаметром вписанной окружности 5,6 мм.
Все ведущие инструментальные фирмы Германии, Японии и США выпускают инструменты из режущей керамики. Развивается оксидная
35
( 60 % объемов), оксидно-карбидная (25…30 %) и нитридная (10…15 %), армированная нитевидными монокристаллами, керамика.
Износостойкость и термическая стойкость
Идеальный материал
Вязкость и изгибная прочность
Рис. 1.12. Качественные характеристики различных видов материалов для лезвий- ной обработки: КНБ –
кубический нитрид бора; ПКА – поликристаллические алмазы
Качество поверхностей и производительность обработки значитель- но повышаются при использовании инструментальных
поликристалличе-ских сверхтвердых материалов (ПСТМ) на основе кубического нитрида бора при содержании последнего 50...98 %. Для черновой обработки по- крытий высокой твердости (в том числе и по корке) применяют ПСТМ –
киборит. Для чистовой и отделочной обработки служат инструменты с ре-
Si
3
N
4
Сме- шанная кера- мика
К
НБ
Быстрорежущая сталь без покрытия
ПКА
Кермет с покрытием
Твердый сплав с покрытием
Быстрорежущая сталь с покрытием
Кер- меты
Твердый сплав на основе карбида вольфрама
36
жущей частью из композитов: 01 (эльбор-Р), 02 (белбор), 05 и 09 (ПТНБ),
10 (гексанит-Р), 10Д (двухслойные поликристаллы) и др. Наиболее работо- способны из них киборит и гексанит-Р. Высокая теплопроводность кибо- рита (более 50 Вт/м·К) обусловливает высокую износостойкость резцов при скорости резания до 200 м/мин.
Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины разработал и освоил выпуск сменных многогранных неперетачиваемых пластин из киборита. Вы- пускают пластины пяти форм в соответствии со стандартом ISO 1832-1991Е: трехгран- ной (R), квадратной (Т), ромбической (S) с углом при вершине 80
о
(С), с углом при вершине 55
о
(D), а также специальной формы для оснащения станков с ЧПУ. Пластины изготавливают с задними углами 0
о
(N), 5
о
(В), 7
о
(C), 11
о
(P) классов точности U, M и G без отверстий и канавок. Цилиндрические пластины выпускают диаметром 3,97…12,7 мм и высотой 2,38…4,76 мм. Применяют и другие формы пластин, вписанные в приведен- ные размеры. Композит выпускают в виде режущих зерен, впаиваемых в металлическую матрицу. Теплостойкость материалов на воздухе >1200 о
С, пределы прочности при рас- тяжении > 0,3 ГПа и при изгибе > 0,6 ГПа, а модуль упругости составляет 800 ГПа.
Для абразивной обработки применяют материалы, зерна которых об- ладают высокими твердостью и режущей способностью. При шлифовании зерна разрушаются, образуют осколки с острыми гранями, тем самым са- мозатачиваются. Зерна
шлифующих материалов имеют острые грани, а полирующих – округлую форму, что способствует выравниванию обраба- тываемой поверхности.
В соответствии с ГОСТ 3647-80 абразивные материалы подразделя- ют по размерам на зерна, шлиф- и микропорошки. Зерна применяют, на- пример, для притирки. Шлиф- и микропорошки применяют для отделочно- го шлифования или полирования, их используют для изготовления шлифо- вальной шкурки. Номера групп материала соответствуют размеру их зерен.
Абразивные материалы делят на естественные (природные) и искус- ственные (промышленные).
Естественные материалы (горные породы и минералы), имеющие промышленное значение, следующие: алмаз, корунд, наждак, гранит, кре- мень, кварц, пемза и др. Эти материалы тверды, но недостаточно однород- ны, наиболее применимы из них первые три вида.
Природные алмазы бывают трех видов: борт, баллас и карбонадо. Инструменты из природных алмазов применяют, например, для правки шлифовальных кругов. Ко- рунд, состоящий из 70…95 % Al
2
О
3
и примесей оксида железа, слюды, кварца и др., применяют для производства микропорошков. Наждак состоит из корунда (до 30 %), магнетита, гематита, кварца, оксидов титана и др.
Искусственные абразивные материалы: синтетические алмазы, эль- бор (нитрид бора), карбид бора, карбид кремния (карборунд SiC), электро- корунд (на основе Al
2
O
3
) и др.
37
Шлифпорошки из синтетических алмазов выпускают пяти марок (в порядке возрастания прочности и снижения хрупкости зерен): АСО, АСР,
АСВ, АСК и АСС. Микропорошки из них выпускают двух марок: АСМ и
АСН. Эльбор (боразон, кубонит) – перспективный материал из кубическо- го нитрида бора. Он превосходит алмаз по теплостойкости и диффузион- ной устойчивости. Зерна из эльбора выпускаются двух марок: ЛП – повы- шенной и ЛО – обычной прочности. Карбид бора уступает по твердости только алмазу и нитриду бора. Зерна карбида кремния способны выдер- жать температуру до 2050 о
С. Производят два вида карбида кремния: зеле- ный и черный. Первый вид материала имеет меньше примесей и большую абразивную износостойкость. Электрокорунд имеет наибольшее примене- ние и в зависимости от содержания оксидов других элементов бывает хро- мистым, титанистым, хромисто-титанистым, циркониевым и др.
Абразивные инструменты в виде кругов, головок, брусков, сегментов или шкурки состоят из абразивных зерен, связанных каким-либо вещест- вом. Инструменты, за исключением последнего, изготавливают литьем и прессованием абразивной массы. В качестве связки абразивных зерен при- меняют органические и неорганические вещества.
Органические связки бывают керамические (К), магнезиальные (М) и силикат- ные (С), а
неорганические – бакелитовые (Б), глифталевые (ГФ) и вулканитовые (В).
Шлифовальные круги различают по твердости. Твердостью круга принято считать сопротивление его связки к выкрашиванию зерен при ра- боте. Для обозначения твердости кругов применяют индексы: М – мягкие,
СМ – средней мягкости, С – средние, СТ – средней твердости, Т – твердые,
ВТ – весьма твердые и ЧТ – чрезвычайно твердые.
Чаще применяют шлифовальные инструменты с абразивными зер- нами из электрокорунда. В зависимости от содержания примесей и техно- логии производства электрокорунд делят на следующие виды: нормальный
(12А, 13А, 14А, 15А, 16А), белый (22А, 23А, 24А, 25А), хромистый (32А,
33А, 34А), титанистый (37А), циркониевый (38А), монокорунд (43А, 44А,
45А) и хромисто-титанистый (91А, 92А, 93А, 94А, 95А). Монокорунд со- стоит из целых зерен, в
отличие от других видов электрокорунда, которые получают дроблением исходного материала. Для обработки чугуна, цветных металлов и сплавов, титановых сплавов обычно применяют абразивные кру- ги из карбида кремния черного (53С, 54С, 55С) или зеленого (63С, 64С).
Абразивный инструмент обозначают условными знаками в опреде- ленной последовательности.
38
Например, характеристика абразивного круга ПП600
50305 24А 10П С2 7 К5 35 м/с 1 кл А ГОСТ 2424-75 расшифровывается так: ПП – форма круга (плоский прямо- го профиля); 600
50305 – размеры наружного диаметра, высоты и внутреннего диа- метра круга; 24А – марка абразивного материала (электрокорунд белый); 10П – номер и индекс зернистости; С2 – степень твердости (средняя вторая); 7 – номер структуры, под которой понимается соотношение объемов абразивных зерен, связки и пор (средняя);
К5 – вид связки (керамическая); 35 м/с – окружная скорость, при которой обеспечива- ется безопасная работа; 1 кл – класс уравновешенности; А – класс точности круга.
Детали полируют при помощи мелкозернистых кругов или беско- нечной гибкой абразивной ленты. Шлифовальную шкурку изготавливают путем нанесения и закрепления абразивного материала на тканевую или бумажную основу. Шкурки выпускают в виде листов или рулонов.
Смазывающе-охлаждающие жидкости (СОЖ) при обработке заго- товок снижают изнашивание режущего инструмента, улучшают качество обрабатываемых поверхностей и повышают производительность. Основ- ные функции СОЖ: охлаждение инструмента и детали, разделение частей материала заготовки за счет расклинивания, граничная и гидродинамиче- ская смазка, адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ) на вновь образованных поверхностях для облегчения пластического деформирова- ния и разрушения металла. Применяют масляные, эмульсионные и синте- тические СОЖ.
Шлифование сопровождается выделением большого количества теп- ла и деформированием поверхностного слоя на глубину до 50 мкм, что способствует возникновению в этом слое значительных растягивающих напряжений.
Неправильно выбранные режимы резания, затупленные зерна и «засаленный» круг приводят к структурным изменениям поверхностного слоя покрытия, образованию прижогов и шлифовальных трещин. Эти де- фекты недопустимо оставлять в поверхностном слое покрытия. Прижоги при шлифовании снижают предел выносливости детали до 30 %, а шлифо- вальные трещины – до трех раз. Поверхностное обезуглероживание и сни- жение твердости только на 5 единиц HRC уменьшают долговечность, на- пример, зубчатых колес в 2...3 раза. Поэтому при шлифовании покрытий значения режимов следует назначать значительно меньшие, чем при обра- ботке монолитных материалов.
Качество шлифования и полирования кругами в значительной степе- ни зависит от окружной скорости круга. При отделке твердого металла не- обходима более высокая окружная скорость, чем при отделке мягкого.
Финишные операции обеспечивают необходимые размеры и шеро- ховатость обрабатываемых поверхностей, а также свойства поверхностно- го слоя. На этих операциях снимают незначительный слой металла, но
39
уменьшают на один-два класса значения шероховатости. Тонкое шлифова- ние, например, выполняют абразивным инструментом с зернистостью
12...25. Снимаемый припуск за один ход не более 0,5 мкм. В конце опера- ции необходимо выхаживание в течение 5...7 оборотов детали. Для тонкого шлифования применяют станки повышенной точности.
Суперфиниширование и полирование – процессы удаления разупроч- ненного на предыдущих операциях тонкого слоя и достижения необходи- мой шероховатости поверхности. Суперфиниширование цилиндрических шеек (рис. 1.13) выполняют при вращении детали и осцилирующем дви- жении мелкозернистых брусков вдоль оси шпинделя. Давление брусков на обрабатываемую поверхность составляет не более 3 МПа, оно уменьшает- ся к концу операции. Шейки коленчатых валов, например, полируют на станках типа 3875 с применением абразивных лент из шлифовальной шкурки марки 15А М40 В М 433.
Рис. 1.13. Схема суперфиниширования поверхности
Притирка – процесс совместной обработки деталей, работающих в паре, для получения плотного контакта рабочих поверхностей. Притирают, например, клапаны двигателей к седлам,
плунжеры топливной аппаратуры к гильзам, зубчатые колеса друг к другу. Обработка происходит при отно- сительном возвратно-вращательном или поступательном движении прити- раемых деталей. В зону обработки подают свободные зерна электрокорун- да, карбида кремния, карбида титана, карборунда или алмазную пасту в индустриальном масле. Чтобы следы резания не накладывались друг на друга, необходимо каждый последующий ход притирки начинать с нового относительного положения притираемых деталей. Эту функцию, напри- мер, во время притирки клапанов к седлам, выполняет механизм углового смещения шпинделей.
Хонингование – процесс доводки внутренних цилиндрических по- верхностей абразивными брусками, которые закреплены в головке и со-
40
вершают вращение с одновременным возвратно-поступательным движени- ем (рис. 1.14). В процессе хонингования бруски постоянно прижимаются к поверхности детали с давлением 0,05...1,40 МПа. Хонингование обеспечи- вает точность размеров 5 или 6 квалитета и шероховатость поверхности до
Ra 0,16 мкм. Погрешность размера обработанного отверстия составляет
0,005...0,020 мм, а отклонения от круглости не превышают 0,005 мм. В каче- стве инструментальных материалов применяют хонинговальные бруски из синтетических алмазов, закрепленных в металлической связке М1 (порош- ковый состав из 80 % меди и 20 % олова). Для обработки заготовок широко используют бруски из алмазов марки АСВ (алмаз синтетический высоко- прочный). Толщина алмазоносного слоя в брусках 1...2 мм. Зерна практиче- ски не теряют своих режущих свойств до полного изнашивания брусков.
Алмазное хонингование по сравнению с хонингованием электрокорундо- выми брусками производительнее в 4...6 раз, улучшает шероховатость по- верхности на два класса и повышает точность обработки в 1,5...2,0 раза.
Рис. 1.14. Схема хонингования поверхности отверстия: l и d – длина и диаметр обработки; l
бр
, l
рх
и l
вых
– длина брусков, ход и длина выхода брусков; Р
рад
– усилие прижатия брусков к детали; V
ок
и V
вп
– скорости окружного и возвратно- поступательного движения инструмента; 2
– угол пересечения рисок от инструмента
Хонингование применяют для обработки стальных и чугунных дета- лей и при чистовой обработке хромовых и железных покрытий. Скорость резания при хонинговании в 20 раз меньше, чем при шлифовании, поэтому деталь практически не нагревается, а ее поверхностные слои не претерпе- вают структурных изменений.
Заготовки при их механической обработке устанавливают в приспо- соблениях, которые обеспечивают необходимую точность расположения обрабатываемых поверхностей и повышают производительность труда.
41
Шатунные
шейки коленчатого вала, например, шлифуют в центросместителях, которые обеспечивают необходимый радиус кривошипа и точный поворот заготовки
(во время вспомогательного перехода) относительно оси коренных шеек, равный нор- мативному углу между кривошипами.
Вопросы для самоконтроля1. Какой смысл Вы вкладываете в термин «обработка»? 2. Приведите назначение и виды обработки металлов давлением. 3. Определите область применения лезвийной и абразивной обработки резанием. 4. Перечислите современные инструментальные мате- риалы.
1.6. Термическая обработка при изготовлении деталей1.6.1. Содержание и цель термической обработкиТермическая обработка металлов и сплавов представляет собой мно- жество операций, включающее их нагрев, выдержку при заданной темпе- ратуре и охлаждение. Различные виды термической обработки определя- ются скоростями нагрева и охлаждения заготовок, температурой нагрева и временем выдержки при этой температуре. В координатах температура –
время график любой термической обработки может быть представлен в виде рис. 1.15.
V
t, C
Рис. 1.15. График термической обработки:
tн– температура нагрева;
τн,
τв и
τохл–
время нагрева, выдержки и охлаждения;
υохл– скорость охлаждения;
– текущее время
Цель термической обработки заключается в получении требуемой структуры, а, следовательно, и физико-механических или иных свойств материала деталей. По степени воздействия на эти свойства термическая обработка значительно эффективней других видов обработки.
При изготовлении деталей с помощью термической обработки под- готавливают заготовки к механической обработке, снимают внутренние напряжения в них с целью исключения трещин и упрочняют поверхности.
τн τв τохл
υохл 42
Процессы термической обработки подразделяют на термическую об-
работку без механических и химических воздействий, термомеханическую обработку, сочетающую тепловое воздействие с пластическим деформиро- ванием материала, и химико-термическую, сочетающую тепловое воздей- ствие с изменением химического состава поверхностного слоя заготовки.
Скачать 3.56 Mb.