Тольяттинский государственный университет

Кафедра «Оборудование и технологии машиностроительного производства»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

По дисциплине: методы обработки и технологические возможности.

Для студентов специальности «Технология машиностроения»

Форма обучения: очное, заочное.

Тольятти 2010

Конспект разработал: Кучеров Андрей Олегович

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

По дисциплине: методы обработки и технологические возможности.

Для студентов специальности «Технология машиностроения»

Форма обучения: очное, заочное.

Конспект содержит основное содержание дисциплины и может использоваться для подготовки к зачету. Рассмотрены основные методы обработки, технологические возможности используемое оборудование и оснастку.

Тольяттинский государственный университет 2010

Методы обработки поверхностей

1.Обработка наружных поверхностей тел вращения

Точение применяется для обработки преимущественно поверхностей вращения, а также резьб и червяков с помощью резцов. Обработка наружных поверхностей вращения называется обтачиванием, обработка внутренних поверхностей вращения — растачиванием, обработка канавок — прорезанием, обработка торцов — подрезанием, а обработка резьб — нарезанием. В зависимости от типа обрабатываемой поверхности используют различные типы универсальных или специальных резцов. Чаще всего главное вращательное движение сообщается заготовке, которая устанавливается в центрах, в самоцентрирующем патроне, в патроне и центре, в специальном или специализированном приспособлении, которое крепится к шпинделю станка, а движения подачи — резцу. Если станок снабжен соответствующей системой управления подачами (ЧПУ или копирования), то продольное точение (обтачивание и растачивание) позволяет обрабатывать любую комбинацию типовых поверхностей, особенно если их размеры изменяются монотонно.

Точению присущи следующие недостатки:

1. Изгиб обтачиваемой заготовки под действием односторонней силы резания приводит к искажению формы обрабатываемой поверхности, а в некоторых случаях — к потере устойчивости процесса резания (автоколебаниям);

2. При точении стальных заготовок на высоких скоростях резания получается раскаленная сливная стружка, которая наматывается на инструмент, загромождает рабочее пространство и представляет серьезную угрозу для рабочего;

3. Режущая часть резца во время точения непрерывно находится в зоне воздействия больших сил и высокой температуры, что существенно снижает его стойкость и ограничивает скорость резания.

При точении длинных цилиндрических поверхностей первый недостаток компенсируется многорезцовым точением, когда радиальные силы резания уравновешиваются.

Второй недостаток точения компенсируется использованием различных способов стружколомания. Их можно разбить на две группы. В первом случае дробление стружки достигается за счет создания определенных условий стружкообразования. Во втором случае (кинематические способы) дробление стружки происходит за счет периодического прерывания процесса резания путем наложения на движение подачи колебательного движения, параллельного направляющей обрабатываемой поверхности.

Третий недостаток точения компенсируется применением ротационного способа, т. е. точения вращающимся резцом с круговой режущей кромкой. В данном случае активный участок режущего лезвия непрерывно обновляется и резко снижается скорость скольжения стружки и поверхности резания по поверхностям режущего клина инструмента. Ротационные резцы могут вращаться принудительно или от сил трения между инструментом и стружкой (самовращение). Однако таким способом можно обрабатывать только поверхности с плавно изменяющейся образующей. Возможные методы обработки наружных цилиндрических поверхностей приведены на рис.4.1.

Рис. 4.1. Методы обработки наружных поверхностей тел вращения: а – точение напроход; б – точение в упор; в – фрезерование внешним касанием; г – фрезерование внутренним касанием; д – протягивание плоское; е – протягивание круговое.

Для обработки наружных поверхностей вращения могут использоваться методы фрезерования внешним и внутренним касанием, а также методами плоского и кругового протягивания.

Шлифованием обрабатывают поверхности всех классов (рис.4.2.). Обычно оно применяется для повышения точности размеров и формы поверхностей, формообразование которых было на предыдущих этапах обработки осуществлено другими способами (точением, фрезерованием и т.д.). Чаще всего шлифуемые заготовки после предварительной обработки подвергаются закалке или химико-термической обработке. В зависимости от требований к точности шлифование может быть предварительным, чистовым или тонким.

Рис. 4.2. Схема круглого шлифования: а – с продольной подачей; б – врезное; в – глубинное; г – врезное интегральное; д – бесцентровое с продольной подачей; е – бесцентровое врезное.

В последнее время шлифование все чаще используется для формообразования, т.е. для снятия значительных слоев материала с заготовки (в этом случае оно называется силовым) или для получения в сплошном материале канавок различной формы (глубинное шлифование). Шлифование выполняется шлифовальными кругами, состоящими из абразивных зерен, которые жестко сцементированы в пористое тело с помощью связки.

Для обработки поверхностей вращения применяются различные способы круглого шлифования. Относительно короткие (менее 80 мм) наружные поверхности вращения обрабатываются круглым наружным врезным шлифованием на круглошлифовальных станках. Заготовка при этом устанавливается в центрах, на оправке или в патроне. Одновременное шлифование шейки и торца выполняют на торцекруглошлифовальных станках с наклоном оси вращения круга на угол 8...20°. Торец и шейку можно шлифовать и на обычном круглошлифовальном станке, применяя круг с поднутрением на торце. Фасонные поверхности вращения шлифуются профилированным кругом.

Для обработки цилиндрических или конических поверхностей значительной длины применяется круглое наружное шлифование с продольной подачей. В зависимости от жесткости заготовки (отношения ее диаметра к длине) применяется многопроходное или глубинное шлифование. При многопроходном шлифовании поперечная подача осуществляется или перед каждым продольным ходом стола с заготовкой, или перед двойным ходом. При глубинном шлифовании заданный слой снимается за один ход стола.

Разновидностью круглого шлифования является круглое бесцентровое шлифование, отличающееся высокой производительностью. Особенность этого способа — ориентация заготовки. В данном случае заготовка ориентируется в зоне шлифования той же поверхностью, которая шлифуется, т. е. часть функций направляющего комплекса станка передана заготовке.

При врезном бесцентровом шлифовании заготовка шлифуемой поверхностью опирается на опорный нож и ведущий круг, который является абразивным, но с характеристиками, отличными от характеристик шлифовального круга. Своей торцовой поверхностью заготовка контактирует с упором. Ведущий круг может быть алюминиевым, стальным или чугунным. Скорость вращения заготовки обусловлена скоростью вращения ведущего круга и очень близка к ней. Поперечная подача может сообщаться как шлифовальному, так и ведущему кругу. В конце цикла шлифования шлифовальный (или ведущий) круг отводится и упор-выталкиватель выталкивает готовую деталь из зоны обработки. Кроме цилиндрических поверхностей, врезным бесцентровым шлифованием обрабатывают также ступенчатые, конические и фасонные поверхности.

Гладкие цилиндрические заготовки (оси, кольца) с высокой производительностью шлифуются бесцентровым шлифованием на проход. При шлифовании способом на проход, оси шлифовального и ведущего кругов все время находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Заготовки, проходя между ними по опорному ножу, шлифуются в заданный размер. Для этого на шлифовальном круге предусматриваются три части: заборная (для съема основной части припуска), калибрующая (для зачистки), обратный конус (для обеспечения плавности выхода заготовки из зоны шлифования).

Фасонное врезное круглое шлифование в последнее время (в условиях массового производства) все чаще заменяется шлифованием на жестких опорах, при котором исключается влияние биения шпинделя заготовки и деформаций при ее закреплении на точность формы и относительного положения шлифованной поверхности. Кроме того, данный способ существенно упрощает автоматизацию загрузки заготовок по сравнению с ее креплением в патроне.

Шлифование является сложным процессом, состоящим из взаимосвязанных подпроцессов: удаления материала, упругого деформирования технологической системы, относительного перемещения элементов технологической системы, теплообмена, изнашивания шлифовального круга, макро- и микроформообразования. На следующей ступени классификации каждый из указанных подпроцессов можно в свою очередь разделить на компоненты — более простые элементы процесса. Для эффективного управления процессом шлифования необходимы математические модели, отражающие наиболее важные связи между показателями его компонентов. Каждая модель отражает сложную систему в определенном диапазоне условий и требований, включая только те параметры и отношения, которые необходимы для решения инженерной технологической задачи.

Отношения и взаимосвязи параметров подпроцессов устанавливаются либо чисто эмпирически, либо логически, но с привлечением данных эксперимента. Они описываются с помощью уравнений, неравенств, а также с помощью графов, блок-схем, графиков, программ для ЭВМ и т. д.

Одной из основных является модель производительности удаления материала, или, в соответствии с ГОСТ 21445—84, модель режущей способности шлифовального круга. Экспериментально установлено, что режущая способность шлифовального круга (т.е. объемная производительность шлифования) определяется радиальной силой, с которой рабочая поверхность круга прижимается к шлифуемой поверхности заготовки. Чем «острее» шлифовальный круг, тем выше объемная производительность процесса шлифования при тех же значениях радиальной силы.

Важной для управления процессом шлифования является модель микроформообразования, связывающая параметр шероховатости с радиальной силой шлифования, приходящейся на единицу ширины зоны контакта круга с деталью.

Если круг работает в режиме полного самозатачивания, то шероховатость шлифованной поверхности существенно зависит от параметров круга: зернистости, твердости и структуры. В таких условиях шероховатость возрастает с увеличением номера зернистости (в степени 0,5...0,7), с уменьшением твердости и процентного содержания зерен в объеме круга (в степени 0,5...1).

Особенностью врезного и многопроходного шлифования является переменность производительности процесса удаления материала (съема припуска) в течение времени (цикла) обработки одной заготовки. Производительность изменяется вследствие изменения поперечной (вертикальной) подачи и упругой деформации технологической системы (под действием силы). Закон изменения поперечной подачи будем называть алгоритмом управления съемом припуска. Наиболее часто в практике применяется ступенчатый алгоритм управления съемом припуска (СтАЛП), который состоит из ряда подач, последовательно и ступенчато уменьшающихся от начала цикла съема припуска к его концу.

Вследствие упругой деформации технологической системы под действием радиальной силы производительность шлифования изменяется за время цикла обработки не так, как меняется подача, т.е. имеют место переходные процессы, когда при постоянной подаче производительность изменяется.

При врезном шлифовании подача перемещения бабки шлифовального круга «расходуется» на скорость изменения радиуса заготовки, на скорость изменения упругой деформации (натяга) технологической системы и на скорость уменьшения радиуса шлифовального круга, которая учитывается только при шлифовании в режиме самозатачивания круга относительно небольшого диаметра.

При ступенчатом алгоритме управления плоским многопроходным шлифованием цикл съема припуска также состоит из этапов предварительного шлифования, чистового шлифования и выхаживания. Подача выполняется перед каждым проходом или на один двойной ход.

Круглое бесцентровое шлифование является высокопроизводительным способом обработки, широко применяемым в массовом и крупносерийном производстве. Основным недостатком бесцентрового шлифования является присущая ему тенденция к образованию поверхностей с отклонениями от круглой формы. Причиной этой особенности бесцентрового шлифования является специфическая ориентация заготовки в зоне обработки, где положение оси ее вращения определяется опорным ножом и ведущим кругом, которые соприкасаются с обрабатываемой поверхностью по образующим. В области образующей осуществляется шлифование.

Погрешности формы шлифуемой поверхности вызывают колебания технологической системы с частотой, зависящей от частоты вращения заготовки и номеров главных гармоник, имеющих максимальную амплитуду.

Эластичное шлифование отличается от обычного характером связи абразивных зерен с инструментальным шпинделем (рис.4.3.). В данном случае конструкция инструмента допускает в процессе работы значительное упругое перемещение рабочих зерен, попадающих в зону контакта с обрабатываемой заготовкой, в направлении нормальной составляющей силы резания. Такое закрепление абразива в эластичной связке позволяет: уменьшать напряженность теплового потока в зоне обработки; увеличивать количество абразивных зерен, одновременно участвующих в работе; в некоторых случаях создавать условия для самоочистки рабочей поверхности инструмента.

Рис. 4.3. Схемы отделочной обработки наружных тел вращения: а – хонингование; б – суперфиниширование; в – ручная доводка; г – машинная доводка; д – полирование лентой; е – полирование мягким кругом.

Основное назначение эластичного шлифования — повышение качества поверхности без исправления погрешности ее формы. Однако в некоторых случаях способ эластичного шлифования применяется для формообразования (размерной обработки). В зависимости от требований к качеству обработанной поверхности различают зачистку, шлифование и полирование. При зачистке целью обработки является удаление дефектного слоя на слитках и отливках или удаление заусенцев после механической обработки (штамповки), а также заделка отдельных дефектов поверхностей. Целью эластичного шлифования и полирования является повышение качества поверхности, т.е. повышение уровня сжимающих остаточных напряжений в подповерхностных слоях материала.

В качестве эластичного абразивного инструмента используют: абразивосодержащие эластичные круги на высокопористой вулканитовой, поролоновой или нетканой волокнистой связке; эластичные круги с абразивным покрытием на текстильную или войлочную основу, а также на круги специальной конструкции; изделия из шлифовальной шкурки — диски, бесконечные ленты, барабаны, лепестковые круги.

Схемы эластичного шлифования абразивосодержащими и абразивопокрытыми кругами соответствуют аналогичным схемам обычного шлифования. Но в отличие от обычного шлифования в зоне контакта инструмент принимает форму обрабатываемой поверхности.

Главные факторы, определяющие качество обработанной поверхности при эластичном шлифовании, — усилие (давление) прижима, зернистость абразива и рабочая скорость шлифования (полирования). Рабочая скорость влияет в основном на производительность и стойкость инструмента. В качестве охлаждающей среды используются водные растворы нитрида натрия или соды, сульфофрезол, масляные эмульсии, масло. При шлифовании титановых сплавов рекомендуется рабочую скорость снижать до 10...15 м/с, а удельное давление — до 0,02...0,15 МПа, а при окончательном полировании удельное давление уменьшают до 0,03...0,1 МПа.

Кроме высокоскоростного, применяют низкоскоростное полирование (со скоростью 0,15...1 м/с) при неподвижной ленте и вращении детали. Часто при этом абразивной ленте сообщается осциллирующее движение.

Суперфиниширование — это отделочная обработка цилиндрических, конических, тороидальных, сферических и плоских поверхностей деталей мелкозернистыми абразивными брусками. Оно существенно повышает эксплуатационные свойства поверхностей, работающих в условиях трения скольжения и качения, так как с помощью этого способа можно достичь параметра шероховатости Rа = 0,02...0,16 мкм и погрешности формы (огранки), не превышающей 0,5 мкм. При этом удаляется дефектный слой, полученный в ходе предыдущей операции (шлифования), а поверхность после суперфиниширования получает упрочнение.

При суперфинишировании коротких поверхностей продольная подача равна 0. Тогда оно называется врезным и длина бруска должна быть несколько больше, чем длина обрабатываемой поверхности. В подшипниковой промышленности широко используется бесцентровая схема ориентации подвергаемых суперфинишированию роликов с помощью двух подающее-базирующих валков, оси которых скрещиваются.

Материал абразивных зерен брусков выбирается в зависимости от обрабатываемого материала. Для предварительного суперфиниширования стальных деталей используется электрокорунд белый (марка 24А), а для окончательного — хромистый электрокорунд (32А). Для суперфиниширования чугунных, незакаленных стальных заготовок, заготовок из цветных сплавов и нержавеющих сталей применяют карбид кремния зеленый (64С). Для обработки заготовок из высокотвердых легированных сталей выбирают эльбор (марки ЛО и ЛП). Для обработки деталей из твердых сплавов и технической керамики используют алмазные зерна (АСО и АСП).

Зернистость брусков определяется требованиями к шероховатости поверхности. В зависимости от исходной шероховатости обработка осуществляется в два или даже в три перехода. Твердость брусков зависит от материала и термической обработки заготовки

Продольную подачу при суперфинишировании поддерживают обычно в пределах 0,5...1,2 м/мин. Припуск на суперфиниширование зависит от исходной и требуемой шероховатости.

При суперфинишировании закаленных сталей в качестве СОЖ в большинстве случаев используют керосиново-масляную смесь (85...90% керосина и 10...15% индустриального масла И-40А), в которую добавляют олеиновую кислоту (3...5%). При обработке вязких, пластичных материалов следует увеличивать (до 70...80%) содержание масла. Необходима тщательная очистка СОЖ от отходов обработки.

Суперфиниширование при наличии достаточного припуска в значительной степени исправляет некруглость (огранку). После обработки она может быть снижена до 0,3...0,7 мкм.

Доводка (притирка) используется не только как один из способов досборочной размерной обработки, обеспечивающих герметичность неподвижных соединений, но и как окончательная (финишная) обработка, обеспечивающая высокую точность размеров и формы (0,5...0,1 мкм), а также параметр шероховатости Rа = 0,01...0,16 мкм.

Как правило, доводку выполняют после шлифования. Припуск при доводке определяется параметром исходной шероховатости, погрешностью формы заготовки. В некоторых случаях припуск под доводку увеличивают для удаления дефектного подповерхностного слоя, полученного при шлифовании.

Доводку осуществляют за несколько последовательных операций, число которых зависит от требований к точности и шероховатости. Для обеспечения стабильных размеров после доводки необходимо, чтобы разноразмерность заготовок не превышала (0,2...0,3)П. Это достигается путем предварительной сортировки заготовок.

В процессе доводки притир изнашивается неравномерно. Поэтому, кроме исправления погрешности формы обрабатываемой поверхности, происходит перенос (копирование) погрешности формы притира на эту поверхность. Чтобы получить требуемую точность обработки, притир необходимо периодически править для компенсации неравномерности его износа.