Прогрессивные методы обработки поверхностей

Технологические задачи механической обработки делятся на три группы. Первая группа связана с обеспечением требуемого взаимного расположения поверхностей детали, вторая группа - с формой геометрических элементов, третья группа - с формированием в поверхностном слое детали состояния, требуемого по условиям эксплуатации. Точность взаимного расположения поверхностей обеспечивается выбором технологических баз и соответствующей установкой детали относительно движущегося инструмента. Снижение погрешности формы и состояние поверхностного слоя после обработки достигаются за счет соответствующей жесткости и точности оборудования, выбора инструмента и режимов обработки.

При черновой механической обработке снимают основную часть операционного припуска. Заданную точность размеров и близкую к нормативной шероховатость поверхностей достигают в результате чистовой обработки. Финишные методы обработки обеспечивают формирование состояния поверхностного слоя изделий, требуемого по условиям их эксплуатации.

Методы механической обработки

Лезвийная обработка поверхностей точением

Каждый метод обработки отличается кинематикой процесса, формой поверхностей резания, образуемых при движении режущих инструментов относительно заготовки. С переходом от предварительных методов к чистовым и финишным кинематика процесса, как правило, усложняется, увеличивается число режущих элементов на рабочей поверхности инструмента, что в свою очередь приводит к усложнению формы поверхностей резания и росту их числа на единицу площади обрабатываемой поверхности.

При переходе от точения к шлифованию число поверхностей резания на единицу площади увеличивается от 8-30 до 20000 (табл. 1.1), при переходе от шлифования к суперфинишированию с учетом уменьшения зернистости инструмента - от 1000-20000 до 2000-40000 [6].

Финишная механическая обработка выполняется механическими методами -лезвийным и абразивным инструментами, а также физико-техническими методами.

Одновременно с расширением номенклатуры труднообрабатываемых материалов, учитывая ужесточение экономических и технических требований к эффективности процессов обработки, совершенствуются существующие и разрабатываются новые композиты для оснащения инструментов, используемых в технологиях механической и физико-технической обработок (рис. 1.1). Инструмент во многом предопределяют возможности таких технологий.

Ьг

Окси шал шрамикі

ЛКЛ

киї»

Смеиіпінсзя керамика

Кермит с ЖНфЫТИси

Твердый сила!) с алмазним нокрьпием

ГаердыЛ

C1LK1S

Нитридная керам нм

Кермет

Ул пр: чслМНерниспЫ»!

і вердын сплав с мокры і нем

У и. громе иопэерннстый твердый СП,тли

Твердый сплав

с покрытием

/ i ia.ii. с покрытием

быстрорежущая ставь

Таблица 1.1. Влияние метода обработки иа число поверхностей резания

* Число элементов на 1 мм² поверхности инструмента.

Вязкие! 1>, прочноеи, при имибе

Рис. 1.1. Области применения материалов для оснащения инструментов

При учете технологических возможностей различных методов обработки технологическая цепочка изготовления деталей может включать в себя как лезвийную или абразивную обработки, так и последовательную совокупность лезвийной и абразивной обработок или лезвийной, абразивной и физико-технической обработок. Набор технологических переходов обусловлен требованиями, предъявляемыми к обрабатываемому изделию.

При разработке технологических процессов формообразования деталей необходимо принимать во внимание не только особенности операций размерной обработки, но и специальные требования по обеспечению необходимой точности размеров и формы поверхностей и их расположения относительно других поверхностей.

При механической обработке деталей припуск на различных операциях обычно снимается частями с постепенным уменьшением величины операционного припуска по мере приближения размера обрабатываемой поверхности к заданному размеру по чертежу. Поэтому обработку заготовок подразделяют на несколько видов: обдирочная, черновая, получистовая, чистовая, тонкая, отделочная. Две последние операции можно объединить понятием «финишная обработка». Рассмотрим основные характеристики данных видов обработки в порядке последовательности их использования.

Обдирочная обработка. В общем случае применяется для заготовок крупных деталей 16-18-го квалитетов точности (поковки, отливки 3-го класса точности). Она уменьшает погрешности формы и пространственных отклонений грубых заготовок. Достигается точность 15-16-го квалитетов, а шероховатость поверхности Ra > 100. Иногда применяется для обработки крупных наплавленных деталей.

Черновая обработка. Используется для заготовок, подвергшихся обдирочной операции, а также для крупных штампованных заготовок 2-3-й групп точности и для отливок 2-го класса точности (соответствует 15-му квалитету точности). Обработка выполняется в большом диапазоне точности 12-16-го квалитетов. При этом величина макроотклонений составляет до 160-500 мкм на 1 м длины, шероховатость поверхности характеризуется параметрами Ra 12,0-40,0 и Sm 0,32-1,25 мм. Черновое точение применяют для обработки поверхностей с припуском на предварительную обработку свыше 5 мм

Получистовая обработка назначается для заготовок, у которых при черновой обработке не может быть снят весь припуск. Кроме того, ее назначают для заготовок, к точности которых предъявляются повышенные требования, что вызывает необходимость уменьшения операционных припусков и увеличения количества операций обработки. Точность этого вида обработки - 11-12-й квалитеты, шероховатость поверхности изделий Ra 2,0-16,0 и Sm 0,16— 0,40 мм. Получистовое точение применяют в качестве окончательной обработки после чернового точения либо как метод промежуточной обработки перед последующей отделочной обработкой.

Чистовая обработка применяется как окончательный вид обработки для тех поверхностей, заданная точность которых соответствует точности, достигаемой чистовой обработкой. Операция чистовой обработки может быть также включена в технологический процесс как промежуточная стадия под последующую тонкую (отделочную) обработку. Точность чистовой обработки -8-10-й квалитеты, макроотклонения составляют 40,0-100,0 мкм на 1 м длины, шероховатость поверхности Ra 0,8-2,5 и Sm 0,08-0,16 мм. Применяется также в качестве промежуточной стадии обработки под последующую отделку. Однократной чистовой обработке подвергают заготовки и поверхности, полученные точными методами (кокильное литье, штамповка по первой группе точности и др.), на режимах, близких к режимам чистовой обработки.

Тонкая обработка - один из видов обработки, окончательно формирующий высокую точность поверхностей заготовки. Выполняется при малых значениях операционного припуска и подачах (0,05-0,15 мм/об), высоких скоростях резания и малых глубинах резания (0,05—0,5 мм), что обеспечивает высокую точность. Шероховатость поверхности обработанной стальной заготовки Ra 0,63-2,5. Тонкое точение (растачивание) обеспечивает высокую точность при незначительной шероховатости цилиндрических, конических, сферических, плоских торцевых и фасонных поверхностей вращения. Суть данной обработки или растачивания заключается в снятии стружки очень малого сечения при высоких скоростях резания. Скорость резания при тонком точении находится в пределах 100-1000 м/мин в зависимости от обрабатываемого материала. Для чугунных заготовок она составляет 100-150 м/мин, для стальных - 150-250 м/мин, а для заготовок из цветных сплавов - до 1000 м/мин и выше. Подача при обработке для предварительного прохода устанавливается 0,15 мм/об, а для окончательного прохода - 0,01 мм/об. Соответственно глубину резания принимают 0,2-0,3 и 0,05-0,01 мм.

Малые сечения снимаемой стружки обусловливают незначительные силы резания и нагрев заготовки. При таких условиях исключается получение значительного деформированного слоя на обрабатываемой поверхности, а также не требуется больших усилий для закрепления заготовки. Малые силы резания не вызывают существенного упругого отжатия технологической системы, которое могло бы повлиять на точность обработки. Вследствие указанных особенностей тонкое точение устойчиво обеспечивает 6-8-й квалитеты точности, а при обработке заготовок из цветных металлов и сплавов точность достигает 5-6-го квалитетов. Шероховатость обработанной поверхности у заготовок из черных металлов Ra 0,63-2,50, а при обработке цветных сплавов ее можно снизить до 0,16-0,32.

Тонкое растачивание широко применяется для обработки точных отверстий под подшипники качения и скольжения, отверстий у коробок передач, задних мостов, отверстий у шатунов, цилиндров двигателей и компрессоров и т. д.

Тонкое точение часто применяется перед такими операциями, как шлифование, хонингование, суперфиниширование, полирование, и осуществляется на специальных высокооборотных (10-15 тыс. об/мин) станках высокой точности и жесткости (радиальное биение шпинделя не больше 0,005 мм). Резцы оснащаются твердыми сплавами, монокристаллами алмаза, ПСТМ на основе алмаза и КНБ, другими инструментальными материалами с высокой износостойкостью. Алмазные резцы применяют на операциях тонкого точения деталей из цветных металлов и сплавов, обеспечивая точность 6-го квалитета и шероховатость Ra 0,016-0,040. Алмазные резцы имеют стойкость, превышающую стойкость твердосплавного инструмента в десятки раз, и могут длительное время работать без поднастройки и регулировки.

Отделочная обработка применяется в основном для получения заданной шероховатости поверхности заготовки. На точность заготовки влияния не оказывает. Выполняется, как правило, в пределах допуска предшествующей обработки. При различных методах и обрабатываемых материалах обеспечивает получение шероховатости поверхности Ra 0,16-0,63.

Особым видом обработки является АМТ - один из наиболее перспективных методов финишной механической обработки [7].

АМТ принято называть точение алмазным монокристальным резцом зеркальных поверхностей при глубине резания 0,1-5,0 мкм. При этом достигается точность обработанной поверхности со среднеквадратичным отклонением формы до 0,04-0,10 мкм (Х/6-Х/50 при X = 0,6328 мкм) и шероховатость до Rz. 0,004-0,010. АМТ позволяет создать зеркальную оптическую поверхность с коэффициентом отражения до 96% и реализуется с использованием оборудования сверхвысокой точности. На рис 1.2 представлен стенд МО 1045 (СКТБ ИСМ НАН Украины) [7].

Стенд оснащен системой управления процессом микроточения. Неотъемлемой частью управления являются системы реального времени и обратной связи. Установлены оптические датчики линейных и угловых перемещений. Использование оптических энкодеров совместно с квадратурной системой регистрации сигнала дает точное определение скоростных параметров и параметров положения рабочих органов. Измерения ведутся по независимым каналам, что также положительно влияет на точность результатов. Используются синхронные сервомоторы и приводы к ним. Визуализация процессов, расчет заданий производятся на промышленном компьютере. Во время точения оператор имеет возможность наблюдать за положением резца.

Контроль точности поверхности выполняется интерферометром (например, ИКД 110), установленным на гранитной станине стенда.

Стенд установлен на виброзащитных опорах. Собственная частота вертикальных колебаний системы станина-виброзащитные опоры составляет 1,0-1,5 Гц. Давление воздуха в рабочих камерах 0,1-0,4 МПа.

АМТ осуществляется с применением алмазных монокристаллических резцов, изготовленных из натуральных алмазов достоинством 0,8-2,0 кар [7]. Обычно используются алмазы с габитусом: октаэдр, куб, ромбододекаэдр, тетраэдр. При изготовлении резца необходимо учитывать кристаллографиче-

Рис. 1.2. Стенд алмазного микроточения МО 1045

ские особенности монокристаллического алмаза. Величина радиуса округления резца не должна превышать 30-300 А.

Лезвийным инструментом с режущей частью из твердых сплавов в большинстве случаев можно выполнять экономически обоснованную обработку металлов с твердостью до 45 HRC, с режущей частью из керамики и сверхтвердых композитов (металлы с твердостью 40-65 HRC), а абразивными инструментами целесообразно вести обработку материалов высокой твердости.