Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
15.2. Точность и производительность обработки Под точностью обработки понимается соответствие изготовленного изделия или партии изделий (детали, узла, машины) эталону, т.е. его (ее) чертежу. Применительно к обрабатываемым деталям различают: размерную точность (соответствие размеров изделия чертежу), геометрическую точность (соответствие формы, волнистости и шероховатости поверхности требованиям чертежа), соответствие физико-химических свойств, структурного состояния (микротрещины, надрывы, измельченная структура) поверхностных слоев; соответствие остаточных напряжений в поверхностных и глубинных слоях детали (глубина их проникновения, величина, знак) требованиям чертежа и т.д. Физико-механическое состояние обработанной поверхности характеризуется деформационными изменениями ее поверхностных слоев. Следствием этих изменений является: деформационное упрочнение (наклеп) поверхности и степень деформации отдельных зерен. Наклеп поверхностного слоя оценивается по глубине h н и степени u н наклепа. U н = 100 (H max - H исх )/ H исх , где: H max и H исх – максимальная и исходная микротвердость поверхностного слоя металла. Деформационное упрочнение поверхностного слоя зависит от пластических свойств обрабатываемого металла, режимов резания, геометрии и износа режущего инструмента, условий обработки. Производительность обработки (число деталей выпускаемых в единицу времени) рассчитывается по формуле: Q = 1/ Т шт . Штучное время Т шт складывается из: основного технологического (Т о ), подготовительно - заключительного (Т пз ) времен, и времени на организационное и техническое 414 обслуживание рабочего места (Т орг .тех ). Основное технологическое время, т.е. время, затрачиваемое непосредственно на обработку поверхности (детали) Т о = Т м + Т в +Т хх . Время холостых ходов (Т хх ) затрачивается на быстрый подвод – отвод режущего инструмента в зону обработки. Вспомогательное время (Т в ) - затрачивается на следующие перемещение режущего инструмента с рабочей подачей: подвод, врезание, прохождение участков, не требующих снятия стружки, перебег (гарантированный отвод инструмента). Машинное время (Т м ) – это время, затрачиваемое на снятие стружки Т м = L/(nS o ), где: L - длина обработки в мм, n – частота вращения в об/мин. 15.3. Инструментальные материалы В зоне резания, на инструмент воздействуют: высокотемпературное поле (300…800 о С и выше); высокие давления (более 500 мПа); высокое истирающее воздействие стружки. Режущий инструмент находится в достаточно агрессивной физико-химической среде. Поэтому инструментальные материалы должны обладать особыми физико- механическими и технологическими свойствами. Основные из них: высокая твердость, прочность, пластичность, температуростойкость; высокое сопротивление схватываемости с обрабатываемой поверхностью и износостойкость; низкая склонность трещинообразованию; хорошая свариваемость или способность к соединению пайкой; низкая стоимость и высокая технологичность. Обработке подвергаются самые различные материалы, поэтому, характеризуя инструментальный материал, приводят скорости резания для стандартных условий резания, а именно: наружное точение стали 45, глубина резания 1 мм, подача 0,1мм/об. Углеродистые стали, относятся к инструментальным материалам общего назначения, применяемым для изготовления ручного режущего инструмента (скорость резания до 3 м/мин). Основные марки: У9; У10; У10А; У11А; У12А. 415 Низколегированные стали как и углеродистые, применяются для ручного режущего инструмента, но могут применяться и для инструмента, работающего со скоростями до 5 м/мин. В основном, применяются, стали легированные хромом, ванадием, кремнием и марганцем. Быстрорежущие стали широко применяются в промышленности для изготовления инструментов работающих со скоростями резания 20…100 м/мин. Различают: стали обычной производительности (до 20 м/мин) (марки: Р9; Р12; Р18; Р6М5; Р9К10); стали повышенной производительности (до 70 м/мин) (марки: Р6М5К5; 10Р6М5Ф3; Р10К5Ф5) и порошковые стали (до 100 м/мин) (марки: Р6М5К5М; Р6М5К5ОМ; 10Р6М5К5Ф3ОМ). Для порошковых сталей: окончание «М» - мелкая структура; окончание «ОМ» - особо мелкая структура. С 1980 г. в промышленности применяются, быстрорежущие стали, с интерметаллидным упрочнением, марок В11М7К23; В4М12К23 и др. Эти стали, применяются, в основном, для точения, фрезерования и строгания труднообрабатываемых материалов. По сравнению со сталью Р18 их стойкость выше: при обработке титановых сплавов - в 20…35 раз; при обработке аустенитных и нержавеющих сталей – в 8…15 раз; при обработке чугунов – в 3…4 раза. Металлокерамические твердые сплавы состоят из тонко измельченных карбидов тугоплавких металлов (вольфрам, титан, тантал), соединенных связкой – кобальтом. Благодаря наличию карбидов тугоплавких металлов сплавы имеют высокую температуростойкость, твердость и износостойкость. Поэтому допускается скорость резания 100…150 м/мин. Существует четыре вида твердых сплавов: вольфрамовые; вольфрамо-титановые; вольфрамо- титано-танталовые и безвольфрамовые. В группу вольфрамовых твердых сплавов входят: ВК3; ВК3М; ВК4; ВК6 ОМ; ВК6М; ВК8; ВК10 0М; ВК10М; ВК15 (В - карбид вольфрама, К - кобальт, число после «К» - процентное содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама, М – мелкозернистый, ОМ - особомелкозернистый). По сравнению с другими вольфрамосодержащими твердыми сплавами они характеризуются 416 наибольшими: пределом прочности на изгиб и вязкостью; но наименьшими: температуростойкостью и твердостью. Поэтому, вольфрамовые твердые сплавы рекомендуются для обработки чугуна, цветных сплавов и труднообрабатываемых материалов с небольшими скоростями резания. В группу вольфрамо-титановых твердых сплавов входят: Т30К4; Т15К6; Т14К8; Т5К10; Т5К12 (Т – карбид титана, число после «Т» - процентное содержание карбида титана, К – кобальт, число после «К» - процентное содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама). Эти сплавы характеризуются наибольшими: твердостью, температуростойкостью и износостойкостью; но менее прочны, чем сплавы группы «ВК». Поэтому они рекомендуются для обработки сталей. В группу вольфрамо-титано- танталовых твердых сплавов входят: ТТ7К12; ТТ8К6; ТТ30К4; ТТ20К9 (ТТ – карбиды титана и тантала, число после «ТТ» суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, К – кобальт, число после «К» - процентное содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама.). Эти сплавы, по своим показателям, занимают промежуточное место между сплавами групп «ВК» и «ТК». Поэтому, они очень эффективны при черновой обработке сталей и чугунов, при строгании и фрезеровании. В группу безвольфрамовых твердых сплавов входят: КНТ-16 и ТН-20 (Т-карбид титана, Н-никель, КН - карбонитрид титана, число – суммарное процентное содержание никеля и молибдена, остальное – карбид титана или карбонитрид титана). Эти сплавы рекомендуются для получистового и чистового точения и фрезерования чугуна, углеродистых сталей и цветных сплавов. Минералокерамика – инструментальный материал на основе окиси алюминия, обладающий большими, чем у твердых сплавов, твердостью и температуростойкостью, но меньшей ударной вязкостью. Поэтому, их используют только для чистовой обточки и расточки деталей из высокопрочных чугунов, закаленных сталей и для резания неметаллических материалов со скоростями до 200 м/мин. Различают: оксидную (белую), оксидно-карбидную, оксидно-нитридную керамику и керметы. Оксидная 417 керамика полностью состоит из окиси алюминия (марки: ВО13; ВШ-75). Её рекомендуют для чистового и получистового точения нетермообработанных сталей, серых и ковких чугунов твердостью менее НВ 400. Оксидно- карбидная керамика, кроме окиси алюминия, имеет в своем составе легирующие добавки карбидов хрома, титана, вольфрама и молибдена (В3; ВОК60; ВОК63). Её рекомендуют для чистового и получистового точения и фрезерования закаленных сталей, отбеленных и серых чугунов, нержавеющих сталей. Оксидно-нитридная керамика состоит из нитридов кремния и тугоплавких материалов, включая и окись алюминия (силинит-Р, ОНТ-20). Эта керамика позволяет заменить вольфрамосодержащие твердые сплавы при получистовом и чистовом точении различных материалов. При точении закаленных сталей качество обработки соизмеримо со шлифованием. Керметы состоят из окиси алюминия, химически связанной металлами (железо, никель, титан, цирконий, хром или молибден) (В3, В4). Керметы рекомендуются для получистового и чистового точения хромоникельмолибденовых сталей твердостью HRC 50…55 со скоростью резания 110…200 м/мин. При резании металлов применяют: синтетические алмазы и материалы на основе кубического нитрида бора (композиты). Алмаз обладает наибольшей, из всех известных материалов, твердостью, малыми коэффициентами линейного расширения и трения. Но, он обладает низкой: прочностью на изгиб и ударной вязкостью. При 750 о С алмаз растворяется в железе, что препятствует его применению при обработке сплавов, содержащих железо. Балласы (АБС) применяются для обработки деталей из стеклопластика со скоростями резания 350…450 м/мин. Карбонадо (АСПК) применяется для обработки алюминиевых и медных сплавов. Композиты: синтетический материал, по твердости, не уступающий алмазу, превосходящий его по температуростойкости, и инертный к железу. Выпускаются следующие марки: композит 01 (эльбор-Р); композит 02 (белбор); композит 05 и 5И (исмит); композит 09 (ПТНБ-ИК); композит 10 (гексагонит-р). Основная 418 область применения композитов: чистовое и тонкое точения и фрезерования закаленных сталей, со скоростями резания 60…120 м/мин; серых и высокопрочных чугунов - 400-1200 м/мин; твердые сплавы (группы «ВК») – 8…12 м/мин. 15.4. Общие сведения о металлорежущих станках Современные металлорежущие станки это совершенные рабочие машины, использующие механические, электрические, электронные, пневматические, гидравлические системы для осуществления требуемых движений и управления технологическим циклом. Станкостроение призвано обеспечить современное производство машинами, обеспечивающими повышение точности, производительности и надежности обработки заготовок деталей машин. По технологическому назначению, различают станки токарной, фрезерной, сверлильной и т.д. групп. По степени универсальности, различают: станки универсальные; широкого применения; специализированные и специальные. Универсальные станки предназначены для выполнения разнообразных работ, используя различные заготовки. Станки широкого назначения предназначены для выполнения определенных работ, используя заготовки определенных наименований. Специализированные станки предназначены для обработки заготовок одного наименования, но разных размеров (например: обработка зубчатого венца на зубофрезерном станке). Специальные станки выполняют вполне определенный вид работ на одной определенной заготовке. По степени автоматизации, различают станки с ручным управлением, полуавтоматы, автоматы, станки с программным управлением. По числу главных рабочих органов, различают одно и многошпиндельные станки, одно и многопозиционные станки и т.д. По точности, различают пять классов точности станков: «Н» - нормальный; «П» - повышенный; «В» - высокий; «А» - особо высокой точности; «С» - особо точные станки. 419 В Российском машиностроении принята Единая система условных обозначений станков, разработанная в ЭНИМС. В соответствии с этой системой, каждому станку присваивается определенный шифр. Первые две цифры шифра определяют группу и тип станка. Буква на втором или третьем месте позволяет различить станки одного типоразмера, но с разными техническими характеристиками. Третья или четвертая цифра показывают условный типоразмер станка. Последняя буква указывает на различные модификации станков одной базовой модели. Все металлорежущие станки разбиты на 10 групп, а каждая группа – на 10 типов. Ниже: № и название группы указаны курсивом, а № и название типа указаны в скобках. Группа 0 – резервная. Группа 1 – токарные станки (0- специализированные автоматы и полуавтоматы; 1- одношпиндельные автоматы и полуавтоматы, 2- многошпиндельные автоматы и полуавтоматы; 3 - револьверные; 4 - сверлильно-отрезные; 5 - карусельные; 6 -токарные и лобовые; 7 - многорезцовые; 8 - специализированные; 9 - разные токарные). Группа 2 – сверлильные и расточные станки (0 - резервный; 1 - вертикально- сверлильные; 2 - одношпиндельные полуавтоматы; 3 - многошпиндельные полуавтоматы; 4 - координатно-расточные; 5 – радиально-сверлильные; 6 – горизонтально-расточные; 7 – алмазно - расточные; 8 – горизонтально- сверлильные; 9 - разные сверлильные). Группа 3 – шлифовальные и доводочные станки (0 - резервная; 1 – круглошлифовальные; 2 – внутришлифовальные; 3 – обдирочные шлифовальные; 4 – специализированные шлифовальные; 5 – резервная; 6 – заточные; 7 – плоскошлифовальные; 8 – притирочные и полировочные; 9 – разные, работающие абразивом). Группа 4 – комбинированные станки. Группа 5 – зубо и резьбообрабатывающие станки (0 – резьбонарезные; 1 – зубострогальные для цилиндрических колес; 2 – зуборезные для конических колес; 3 - зубофрезерные; 4 – для нарезания червячных пар; 5 – для обработки торцов зубьев; 6 – резьбофрезерные; 7 – зубоотделочные и поверочные; 8 – зубо и резьбошлифовальные; 9 – разные зубо и 420 резьбообрабатывающие станки). Группа 6 – фрезерные станки (0 – резервная; 1 – вертикальные консольные; 2 – непрерывного действия; 3 – резервная; 4 – копировальные и гравировальные; 5 – вертикальные бесконсольные; 6 – продольные; 7 - консольные широкоуниверсальные; 8 – горизонтальные консольные; 9 – разные фрезерные). Группа 7 –строгальные, долбежные, протяжные станки (0 – резервная; 1 – продольно-строгальные одностоечные; 2 - продольно-строгальные двухстоечные; 3 – поперечно- строгальные; 4 – долбежные; 5 – протяжные горизонтальные; 6 – резервная; 7 – протяжные вертикальные; 8 – резервная; 9 – разные строгальные). Группа 8 – разрезные станки (0 – резервная; 1 – разрезные, работающие резцом; 2 - разрезные, работающие абразивным кругом; 3 - разрезные, работающие гладким диском; 4 – правильно-отрезные; 5 – пилы ленточные; 6 – пилы дисковые; 7 - пилы ножовочные). Группа 9 – разные станки (1 – опиловочные; 2 – пилонасекательные; 3 – правильно и бесцентрово- обдирочные; 4 – балансировочные; 5 – для испытания сверл и шлифовальных кругов; 6 – делительные машины). Условный типоразмер станка обычно показывает наибольший размер обрабатываемой заготовки. Например: универсальный токарно-винторезный станок мод. 16К20 – «20» - высота центров, т.е. расстояние от оси вращения заготовки до направляющих, 200 мм; вертикально - сверлильный станок мод. 2Н135 – «35» - наибольший диаметр сверления – 35 мм. Шифр станков с ЧПУ снабжен дополнительным буквенно-числовым шифром (Ф – оснащение ЧПУ, далее, обозначается конкретная система ЧПУ). Например: 16К20Ф3С32 – 1- станок токарной группы, 6 - винторезный, К – модернизированный, 20 – высота центров 200 мм, Ф – оснащен ЧПУ, 3 – управление тремя координатными движениями, С32 – система ЧПУ. Тенденция применения принципов крупносерийного производства при изготовлении деталей мелкими и средними сериями требует применения станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Управление рабочим циклом станка с помощью микропроцессоров позволяет превратить станок в 421 т.н. станочный модуль. Станочный модуль (единая система «станок – промышленный робот - тактовый стол») обеспечивает сочетание гибкости (возможность быстрой переналадки станка на изготовление деталей нескольких типоразмеров) и универсальности (возможность обработки различных типов заготовок) с высоким уровнем автоматизации обработки. Объединение станочных модулей различного технологического назначения в единую систему с общим управлением технологическим циклом от ЭВМ позволяет получить гибкую производственную систему. 15.5. Автоматизация производства в механообрабатывающих цехах Автоматизация производства – применение технических средств, экономико- математических методов и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах преобразования заготовки в деталь (готовое изделие). Цель автоматизации – повышение производительности и эффективности труда, улучшение качества продукции, устранение человека от работы в условиях опасных для здоровья. Автомат – станок, у которого все основные и вспомогательные движения (в том числе и возобновление цикла работы) осуществляются без участи оператора. Полуавтомат - рабочая машина, которая работает по автоматическому циклу, но для повторения цикла обработки (чаще всего: для снятия детали и установки заготовки) требуется вмешательство оператора. В работу автомата заложены следующие принципы обработки: Одинарный – в обработке заготовки участвует только один режущий инструмент. Параллельный – в обработке заготовки одновременно участвуют несколько инструментов, работающих одновременно. Последовательный - в обработке заготовки одновременно участвуют несколько инструментов, вступающих в работу последовательно, один за другим. Параллельно - последовательный – в обработке участвуют несколько групп инструментов, инструменты одной группы работают параллельно, а группы вступают в работу последовательно. Непрерывный – в обработке заготовки (группы заготовок) участвует группа 422 инструментов при непрерывной подаче заготовок. Объединение станков – автоматов в единую т систему, расставленную по ходу выполнения технологического процесса преобразования заготовки в готовую деталь (механическая обработка заготовки, межоперационное транспортирование и накопление заготовок, загрузка – разгрузка станков, автоматический контроль хода выполнения операций …) позволяет получить автоматическую линию. Современное машиностроение характеризуется быстрой сменяемостью объектов производства. В этих условиях актуально построение гибкого автоматизированного производства (ГАП) как в крупно так и мелкосерийном производстве. Основой ГАП является применение станков с числовым программным управлением оснащенных магазином режущих инструментов с автооператором (автоматическая рука) для автоматической замены инструмента, т.е. многооперационный станок – обрабатывающий центр (ОЦ). Применение ОЦ позволяет последовательно выполнять большое число разных этапов обработки различными инструментами на одном рабочем месте без снятия заготовки со станка. В магазинах современных обрабатывающих центров можно разместить до 300 различных инструментов. Поэтому появилась возможность обрабатывать с четырех – пяти сторон сложные корпусные детали, т.е. на одном рабочем месте превратить заготовку в готовую деталь. Общая компоновка обрабатывающего центра показана на рис. 15.7. 423 Рис. 15.7. Обрабатывающий центр: 1 – позиция ожидания; 2 – направляющие; 3 – колонна; 4 – шпиндель; 5 – магазин режущих инструментов; 6 – шпиндельная бабка; 7 – стол; 8 – устройства программирования и управления; 9 – рабочая позиция; 10 – загрузочно-разгрузочная позиция; 11 – заготовка; 12 – приспособление – спутник; 13 – тумба; А, Б, С, Д – направления перемещения заготовки и детали. В комплект обрабатывающего центра входят: вертикальная колонна 3 со шпиндельной бабкой 6, автооператором и магазином режущих инструментов 5, несколько транспортных тумб 13 снабженных транспортером и направляющими 2 необходимых для перемещения стола 7. заготовка 11 устанавливается или непосредственно на столе или в приспособлении – спутнике 12. Стол с заготовкой устанавливается на загрузочной позиции 10 и по команде с устройства управления 8 перемещается по стрелке А-Б на рабочую позицию 9. Рабочая позиция снабжена дискретным поворотным 424 устройством для поворота стола и заготовки на требуемый угол. По команде устройства управления, автооператор вставляет в шпиндель 4 требуемый режущий инструмент, задает частоту вращения шпинделя и перемещает инструментальную бабку по вертикальным и горизонтальным направляющим колонны. По окончании обработки, стол с обработанной деталью перемещается на позицию ожидания 1(по стрелке Б-С), а в зону обработки подается новая заготовка. Как только освободится позиция 10, на нее перемещается обработанная деталь (по стрелке С-Д). |