книги / Надежность и диагностика технологических систем

К абразивным инструментам относятся шлифовальные круги, хоны, бруски, притиры и др.

В роторных АЛ большое распространение получил деформи­ рующий инструмент для изменения формы и размеров заготовки.

По методам формообразования инструменты подразделяют­ ся на следующие типы:

•инструменты, работающие по методу совокупности следов, когда резец при одном проходе оставляет единичный след, а форма поверхности образуется за счет траектории перемещения инст­ румента;

•инструменты, работающие по методу копирования (конце­ вые и дисковые фрезы, фасонные резцы, протяжки);

•инструменты, работающие по методу обката, когда режущая кромка перемещается относительно обрабатываемой поверхно­ сти по специальной кинематической траектории (долбяки, чер­ вячные фрезы и др.).

Абразивные инструменты в основном формируют обрабаты­ ваемые поверхности за счет копирования и обката (огибания).

На работоспособность инструментов большое влияние оказы­ вают применяемые инструментальные материалы. Для лезвий­ ных инструментов используются:

•углеродистые инструментальные стали (У10А, У12А, У13А);

•легированные инструментальные стали (ХВГ, 9ХС, ХВСГ);

•быстрорежущие стали нормальной (Р18, Р9, Р12, Р6М5)

иповышенной (Р12ФЗ, Р9К5, Р16К5Ф5, Р9М4К8) красностой­ кости; твердые сплавы, например вольфрамовые (ВКЗ, ВК4-В, ВК6, ВК8, ВК10-М, ВК20), титановольфрамовые (Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т30К4), а также безвольфрамовые (ТМ1, ТМЗ, ТН-20, КНТ16 и др.);

•керамические оксидные (ЦМ-332), оксидно-карбидные (ВОК-бО, В-3);

•сверхтвердые инструментальные материалы на основе при­ родных и искусственных алмазов и нитрида бора (композиты 01, 02, 05, 10, 09, исмит-1, исмит-2).

Абразивные материалы получают на основе электрокорунда (18А, 13А, 14А), карбида кремния (55С, 54С, 64С), природных алмазов (A l, А2, АЗ, А5, А8), синтетических алмазов (АС2, АС4, АС32, АС50), кубического нитрида бора — эльбора (ЛО, ЛП, ЛКВ) и кубанита (КО, КР).

Абразивные материалы служат для изготовления кругов пря­ мого, тарельчатого и чашечного профилей, дисков, шлифовальных головок, тел для виброабразивной обработки, сегментов шлифо­ вальных кругов, кругов с прерывистой поверхностью и др.

Инструментальное оснащение современного высокоавтома­ тизированного производства имеет шесть составляющих компо­ нентов:

•режущий инструмент;

•вспомогательный инструмент (различные оправки с уни­ фицированными хвостовиками и посадочными поверхностями, быстросменные патроны для установки осевого инструмента);

•средства для наладки инструментов вне станка;

•устройства для автоматической смены инструмента (пово­ ротные резцедержки, инструментальные магазины, манипуля­ торы и автооператоры);

•средства активного контроля и автоматической подналад­ ки режущего и деформирующего инструмента;

•автоматизированные средства и системы контроля и диаг­ ностики состояния инструмента.

Инструментальное оснащение автоматизированного производ­ ства должно удовлетворять следующим дополнительным требо­ ваниям:

•универсальность применения инструмента на различных моделях, типах и группах станков;

•возможность предварительной настройки на размер вне станка;

•возможность быстрой смены позиции инструмента или его замены при переналадке на другие детали (мобильность);

•высокий уровень качества, стандартизация и унификация;

•повышенная (особенно размерная) стойкость, прочность, жесткость и требуемая вязкость материала инструментальных пластин;

•высокие и стабильные физико-механические и режущие свойства;

•высокая точность изготовления;

•удовлетворительное формирование и отвод стружки, удобный подвод смазывающе-охлаждающих технологических средств (СОТС);

•наличие поверхностей для установки кодирующих элемен­ тов (для идентификации инструментов в магазине) и поверхно­

стей для захвата манипулятором при автоматической смене ин­ струмента.

К инструментам, работающим в условиях автоматизирован­ ного производства, предъявляются повышенные требования по надежности, стойкости, стандартизации и унификации (рис. 5.1). Размеры токарных резцов строго нормируются. На станках свер­ лильно-фрезерно-расточной группы используют стандартные ко­ нические оправки с конусностью 7:24 и кольцевой проточкой для захвата оправок манипулятором. В условиях ГПС оптималь­ ные конструкции инструментов и режимы обработки определяются с использованием АСНИ, САПР, АСТПП, САК и диагностики.

Автоматическая смена инструмента

Гибкий

производственный

модуль

Рис. 5.1. Структура системы обеспечения надежности ГПМ

Специальные исследования проводятся по повышению каче­ ства и стабильности свойств инструментальных материалов. У бы­ строрежущих сталей за счет дополнительного легирования вана­ дием и кобальтом получают мелкозернистую структуру (напри­ мер, в сплавах Р18К5, Р18Ф2, Р18Ф2К5, Р14Ф4, Р10К5Ф5). Путем многократной проковки у этих сплавов можно добиться балла карбидной неоднородности менее двух единиц, что ведет к существенному повышению режущих свойств инструмента.

Твердые сплавы с увеличенным содержанием титана и низким содержанием кобальта обладают значительно большей износо­ стойкостью по сравнению с традиционными твердыми сплавами, однако они более хрупкие и склонны к выкрашиванию в усло­ виях работы с ударными нагрузками.

кобальт повышает вязкость твердых сплавов, что значительно снижает вероятность выкрашивания режущих кромок инстру­ мента в условиях работы с ударными нагрузками, неравномер­ ными припусками и прерывистыми поверхностями, а также при резании труднообрабатываемых материалов (например, нержа­ веющих сталей). Сплавы с высоким содержанием кобальта (на­ пример, ВК8 и ВК60М) в этом случае более надежны.

Износостойкость увеличивается при использовании химико­ термических методов обработки (азотирование, цементация, ни­ троцементация), а также при нанесении износостойких покры­ тий (нитрида титана TiN, нитрида хрома CrN, композитных покрытий).

Для обеспечения надежности автоматизированных ТП необ­ ходимо применять комплексные методы исследования и проекти­ рования инструментов. При работе на высоконагруженных режи­ мах резания целесообразно применять многопараметрический контроль состояния инструмента. Правильный выбор режимов обработки и использование современных инструментальных материалов позволяют обеспечивать гарантированную стабиль­ ность свойств инструментов для автоматизированного произ­ водства, повышать периоды между их переточкой и заменой.

Пример 5.1. Допустим, что за счет оптимизации свойств инструмен­ тальных материалов математическое ожидание Мтстойкости Т токар­ ных резцов увеличилось с 30 до 32 мин, а среднее квадратическое откло­ нение (рассеяние) а? изменилось с 3 до 1 мин при нормальном законе распределения данной случайной величины. Требуется определить пери­ оды смены инструмента при обеспечении вероятности их безотказной работы Р0= 0,99 для первого и второго случая.

Решение .

Очевидно, что следует рассчитать вероятность одностороннего вы­ хода параметра Т за допустимые пределы.

Вероятность Р0безотказной работы и вероятность отказа PQ(т.е. ве­ роятность выхода параметра Т за допустимый предел) образуют пол­ ную группу событий:

Ро+Р(>=1,

откуда PQ=1 —PQ=1—0,99=0,01.

направлены под углом примерно 45° к передней грани. У вяз­ ких пластичных материалов образуется сливная непрерывная стружка.

При резании затрачивается значительная мощность на дефор­ мирование и отделение снимаемого слоя, что приводит к возник­ новению значительных усилий, выделению большого количества тепла и повышению температуры в зоне резания. Температура воздействует на режущую часть инструмента и изменяет физи­ ко-механические характеристики инструментальных материа­ лов, их структурно-фазовое состояние. Указанные воздействия приводят к повреждениям и отказам инструментов.

У лезвийных инструментов повреждения вызывают процессы

внезапного, быстропротекаюгцего или постепенного характера. Повреждения могут накапливаться и приводить к отказам, ко­ гда параметры инструментов выходят за допустимые пределы. Повреждения и отказы инструмента можно с некоторой долей условности подразделить на физико-механические, структурно­ фазовые и конструктивно-технологические.

Кфизико-механическим повреждениям и отказам инструмен­ тов относятся износ, наростообразование, выкрашивание, навола­ кивание стружки, сколы, трещины и микротрещины, разрушение

иполомка.

Кструктурно-фазовым отказам и повреждениям можно отне­ сти недостаточные твердость, пластичность, красностойкость ин­ струментальных материалов, наличие в них дефектов (внутренних несплошностей и др.), которые вызывают концентрацию напря­ жений и приводят к преждевременному выходу инструментов из строя.

Кконструктивно-технологическим факторам, приводящим

кповреждениям и отказам, относятся:

•недостаточная прочность и жесткость пластин и державок;

•дефекты пайки пластин (микротрещины);

•дефекты механического крепления;

•недостаточная точность изготовления опорных поверхностей инструментальных пластин и режущих кромок.

Инструменты функционируют в чрезвычайно жесткой среде при повышенной температуре и напряжениях, в условиях уда­ ров и вибраций. Поэтому любое отклонение рабочих режимов от допустимых пределов (завышенные скорости, подачи и размеры снимаемых за один проход припусков, увеличенная твердость

или микротвердость поверхности заготовок, недостаточный по­ лив СОТО и др.) приводит к повреждениям и отказам, включая даже поломки.

У инструментов, функционирующих при номинальных ре­ жимах резания, главной причиной возникновения поврежде­ ний и отказов следует считать износ.

Износ режущей части инструмента может быть трех видов:

•износ по задней поверхности в виде образования более или менее ровной площадки износа, что характерно для чистовой обработки с применением СОТС;

•износ по передней и задней поверхностям с изменением геометрии режущей кромки, например скругления последней, что характерно для получистовой и черновой обработки при но­ минальных режимах резания с использованием СОТС;

•износ по передней поверхности с образованием лунки износа.

Встречается и комбинированный износ, сочетающий так или иначе три этих вида.

По характеру процессов, приводящих к износу, различают:

•истирающий износ, характеризующийся адгезионным вы­ рыванием микрочастиц металла на субатомном и микрокри­ сталлическом уровнях;

•износ в результате выкрашивания, который отличает появ­ ление усталостных и термических микротрещин в зоне режущего клина с последующим скалыванием частиц инструментального материала, имеющих размер сотни микрометров;

•химический износ, определяемый коэффициентом темпера­ турной диффузии материала инструмента в материал заготовки

иих структурно-фазовым состоянием.

Кроме того, в условиях динамического прерывистого и сило­ вого резания возможно превышение пределов усталостной проч­ ности инструментального материала, приводящее к образованию микротрещин и скалыванию небольших частиц с режущего клина инструмента.

Схема износа резца (со скруглением при вершине в зоне С) приведена на рис. 5.2, б. Зона Б служит базой для измерения из­ носа по задней поверхности (рис. 5.2, б). Ширина контакта резца с обрабатываемой поверхностью определяется размером b. Глу­ бина износа по задней поверхности характеризуется параметрами ^зшт» К, Лзтпх. Следствием износа резца по передней поверхности

является лунка (рис. 5.2, а, в). Критерием износа служит глу­ бина лунки Кт. Определяющей для начала катастрофического износа является величина расстояния от начала лунки до режу­ щей кромки Кр).

Передняя грань

Термические

И знос

Рис. 5.2. Виды износа токарного резца:

а — износ вершины и передней грани; б — износ и термические трещины по задней поверхности; в — образование лунки на передней грани; г — про­ шлифовка фаски Аф по задней поверхности; д —износ вершины (скругление)

В процессе обработки важно обеспечить размерную стойкость инструмента в направлении нормали к обрабатываемой поверх­ ности. Для этого со стороны задней поверхности резца прошлифовывают фаску Аф шириной до 1 мм (рис. 5.2, г). В результате износа режущая кромка резца может приобретать скругленную форму (рис. 5.2, д), например, при точении инструментом из бы­ строрежущей стали типа Р6М5.

Характер износа инструмента при оптимальных режимах ре­ зания обычно ничем не отличается от классической (типовой)

кривой износа при эксплуатации изделий (рис. 5.3, а), имею­ щей три характерные зоны (периода):

1)повышенного износа I в начале обработки;

2)установившегося износа И, характеризующегося линейной зависимостью;

3)катастрофического износа III.

Рис. 5.3. Характеристики износа токарных резцов:

а — при резании конструкционных углеродистых сталей; б— при резании труднообрабатываемых легированных сталей

При достижении величины износа предупредительной (кри­ тической) зоны К требуется введение коррекции положения ре­ жущей кромки или замена резца.

Постепенный износ определяется адгезией (сцеплением) атомов материала инструмента с материалом заготовки и его последую­ щим выровом с поверхности инструмента или микровыкрашива­ нием. При резании труднообрабатываемых сплавов наблюдается непрерывно возрастающий износ без условного деления кривой износа на зоны (рис. 5.3, б).

При нормальных режимах резания износ лезвийного инстру­ мента носит в основном линейный характер и его можно вычис­ лить по формуле

где Un — начальный износ, мкм; U0 — величина удельного из­ носа, мкм/км; L — длина пути резания, м.

где d — диаметр заготовки; I — длина поверхности резания у за­ готовки; s — подача, мм/об.

Длина пути резания при строгании

где I и В — длина и ширина строгания соответственно; sn#n — по­ перечная подача резца.

Уточненные величины удельного износа для резцов из вольф­ рамовых и титановольфрамовых сплавов в зависимости от типов обрабатываемых материалов приведены в специальной литера­ туре. Так, износ резцов из твердого сплава Т15К6 при обработке стали 45 на конец расчетного периода стойкости инструмента Т рекомендуется рассчитывать по формуле

где V — скорость резания, м/мин.

Величины начального и удельного износа различных инстру­ ментов, полученные из многолетней практики машиностроения, приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Величины коэффициентов начального и удельного износа при чистовом точении и растачивании