Технологический процесс изготовления корпуса мембранного патрона

117

Аннотация

Технологический процесс изготовления корпуса мембранного патрона

Дипломный проект. Тольятти.: ТГУ, 2006 г.

Расчетно-пояснительная записка - стр., рисунков - , таблиц -

Графическая часть (10 л формата А1) - чертеж детали, чертеж заготовки, план обработки, технологические наладки, приспособление - волновой преобразователь на фрезерную операцию, приспособление для контроля, режущий инструмент, планировка участка механической обработки.

В дипломной работе приведен технологический маршрут и план изготовления корпуса мембранного патрона. Произведены научные исследования операции фрезерной обработки продольно-крутильными колебаниями. Выполнен патентный поиск концевой фрезы. Выбрана и спроектирована заготовка. Разработаны схемы базирования на каждой спроектированной технологической операции. Произведен расчет режимов резания. Выполнена оптимизация режимов резания на фрезерной операции. Спроектировано приспособление для контроля, а также станочные приспособления на фрезерную операцию. Спроектирован участок механической обработки корпуса патрона. Произведен экономический расчет проекта. Рассмотрены вопросы безопасности и экологичности проекта. Составлены маршрутная карта, операционные карты, спецификации к сборочным чертежам.

Введение

Эффективная эксплуатация машин и оборудования обеспечивается высоким уровнем изготовления комплектующих деталей. При использовании в машиностроительной и инструментальной промышленностях давно известных и стандартных методов механической обработки затруднительно и ресурсоёмко добиваться получения деталей с требованиями повышенной точности. Также при создании новых машин и приборов приходится сталкиваться с невозможностью изготовления некоторых деталей приёмами основанными только на механической обработке. В таких случаях целесообразно применение новых методов обработки, основанных на комбинировании лезвийной обработки с другими видами изготовления деталей: электрофизическими, химико-техническими, ионно-плазменной или лазерной обработки и т.д.

Лезвийная обработка является одним из наиболее распространенных способов механической обработки изделий из сталей и сплавов. Но использование дополнительного вида обработки позволяет добиваться лучших результатов: снижение времени обработки и как следствие повышение производительности, повышение стойкости инструмента при использовании модернизированных способов охлаждения зоны резания или применении поверхностно активных веществ и целый ряд процессов направленных на интенсификацию производства.

Одним из таких методов совершенствование процесса резания является применение виброобработки, которая позволяет существенно повысить стойкость металлорежущего инструмента, производительность обработки и качество обработанной поверхности, получить существенный экономический эффект.

1. Анализ состояния вопроса

1.1 Анализ служебного назначения детали

Деталь “Корпус” мембранного патрона - ответственная нагруженная деталь, являющаяся несущим элементом в сборочном узле представленном на чертеже [ ], она ориентирует остальные детали сборки патрона и является установочной базой.

Конструктивный элемент конус  1:24 и прилегающий торец являются основной конструкторской базой и требует высокой точности исполнения, для вспомогательных поверхностей, несущих установочную функцию, также определены жесткие требования.

Деталь «Корпус» в работе испытывает однонаправленные циклические нагрузки, поэтому наиболее вероятными видами износа могут стать истирание поверхностей периферии, конуса, разбиению внутреннего отверстия или же при превышении нагрузок возможно деформирование или контурных поверхностей детали.

Выполним детальный анализ конструкции детали, для чего проведем систематизацию поверхностей. Эскиз кодировки поверхностей представлен на рис.1.1.

Основными конструкторскими базами (ОКБ) являются поверхности: 12 , 13 , вспомогательными конструкторскими базами (ВКБ) - поверхности: 16 , 17 , 20 , 25 исполнительными - поверхности передающие вращение, воспринимаемое от шпинделя станка, - 1 , 2 , 3 остальные поверхности считать свободными, не требующих высокой точности исполнения.



Систематизация поверхностей

Рис. 1.1

Корпус мембранного патрона изготавливается из цементируемой (низкоуглеродистой) легированной стали 19ХГН, которая применяется для нагруженных деталей, в которых необходимо иметь высокую твердость поверхностного слоя и достаточно прочную сердцевину. Деталях из легированных сталях сердцевина после термообработки прочная в связи с образованием в ней бейнита или низкоуглеродистого мартенсита (HRC 30…45).

Состав стали представим в таблице 1.1 .

Таблица 1.1

Состав стали 19ХГН

С	Si	Mg	Cr	Ni	Mo	Al	Ti	V	P	S
									не более
0,16-0,21	0,17-0,37	0,70-1,10	0,80-1,10	0,80-1,10	-	-	-	-	0,035	0,035

В состоянии поставки материал имеет следующие механические свойства, представленные в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Механические свойства стали 19ХГН (в состоянии поставки)

Термообработка	Предел текучести Т, Н/мм2	Временное сопротивление В, Н/мм2	Относительное удлинение 5, %	Ударная вязкостьт КСU, Дж/см2
Закалка	Отпуск
Тем-ра, tC	Среда охлаждения	Тем-ра, tC	Среда охлаждения
870С	масло	150-180С	воздух	930	1180 - 1520	7	69

Легирующие элементы, присутствующие в стали оказывают различное влияние на карбидную фазу и фазовые превращения.

Mg и Ni - являются элементами, образующими открытую область -фазы, Cr - замкнутую область -фазы.

Сr - элемент способный образовывать карбиды, Ni не образует карбиды и находится в стали в твердом растворе в феррите или в аустените. Карбидообразующие элементы тоже способны частично растворяться в аус-тените и феррите. Все легирующие элементы замедляют распад аустенита. Ni увеличивает устойчивость аустенита, не влияют на характер изотер-мической кривой, Cr - как карбидообразующий элемент стремится изменить характер кривой, образовать две зоны минимальной устойчивости аустенита, а также Cr препятствует росту зерна аустенита при нагреве.

При изготовлении детали после черновой токарной обработки, на которой были сняты большие припуски и напуски металла деталь подвергают высокому отпуску для снятия внутренних напряжений, учитывая особенность конструкции термообработку следует проводить в подвешенном состоянии в вертикальном положении. Для получения высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя металла, деталь подвергают цементации. После цементируемые детали подвергают термообработке наиболее часто закалке с температурой 820-850С и низкому отпуску. После термической обработки структура поверхностного слоя представляет собой мартенсит с небольшим количеством карбидов хрома, твердость стали находится в пределах HRC 58-63. Структура сердцевины легированной стали - низкоуглеродистый мартенсит и троостит, твердость - HRC 30…40.

Проведенный анализ обоснования материала заготовки подтвердил правильность нашего выбора. Сталь 19ХГН после проведенных термических и химико-термических обработок получила необходимые механические свойства, которые позволят избежать различных поломок детали и увеличат срок ее службы.

1.2 Анализ технологичности конструкции детали

Качественные показатели технологичности:

а) все поверхности вала легко доступны для обработки;

б) цилиндрические поверхности детали имеют небольшие перепады;

в) заготовку можно получить прогрессивным методом - штамповкой на горизонтально-ковочной машине или методом литья в песчаные формы;

г) используется режущий инструмент простой конфигурации;

д) возможно применение высокопроизводительного оборудования.

Учитывая, что при обработке резанием можно применить различный инструмент для обработки можно изменить метод получения заготовки, делаем вывод, что деталь «Корпус патрона» достаточно технологична.

1.3 Задачи проекта

Основной задачей проекта является получение годового экономического эффекта от модернизации технологического процесса изготовления детали и от модернизации конструкции станочных приспособлений. Так же необходимо спроектировать и рассчитать заготовку корпуса мембранного патрона, разработать техпроцесс на его изготовление. Выполнить элементы конструкции детали - бобышек с достаточно высокой степенью позиционирования.

При этом необходимо стремиться к решению следующих основных задач, которые являются частными комплекса общемашиностроительных задач настоящего времени:

1. Спроектировать заготовку с максимальным коэффициентом использования материала и с минимальной себестоимостью;

2. Разработать технологический процесс обработки с использованием новейших достижений науки и техники, отвечающий требованиям технологичности (экономичности, точности, качества и т.д.) и в условиях серийного производства;

3. Составить оптимальную схему обработки;

4. Разработать конструкцию приспособления позволяющего обеспечить точность базирования.

5. При решении этих задач необходимо, прежде всего, руководствоваться целесообразностью вводимых изменений с экономической точки зрения.

Выбор типа производства

Тип производства характеризуется коэффициентом закрепления операций К_З.О , который показывает отношение всех различных технологических операций, выполняемых или подлежащих выполнению подразделением в течение месяца, к числу рабочих мест. Т.к. К_З.О отражает периодичность обслуживания рабочего всей необходимой информацией, а также снабжения рабочего места всеми необходимыми вещественными элементами производства, то К_З.О оценивается применительно к явочному числу рабочих подразделений из расчета на одну смену:

(2.1)

где суммарное число различных операций;

явочное число рабочих подразделений, выполняющих различные операции.

Коэффициент закрепления операций должен в производственных условиях определяться для планового периода, равного одному месяцу. Это обстоятельство учитывает условия серийного производства, для которого характерны большая номенклатура изделий и сравнительно частая смена объектов производства, что определяется большими значениями коэффициента закрепления операций.

Т.к. заданием дипломного проекта регламентирована годовая программа выпуска, то условие планового периода, равного одному месяцу, здесь не применимо.

Исходя из приведенной формулы (2.1) для коэффициента закрепления операций необходимо установить соотношение между трудоемкостью выполнения операций и производительностью рабочих мест (оборудования), предназначенных для проведения данного технологического процесса при условии загрузки этого оборудования в соответствии с нормативными коэффициентами.

Поскольку технологический процесс претерпит, изменения направленные на улучшение хода производства, а именно сокращению времени обработки, то расчет коэффициента закрепления операций будет носить проверочный характер: к проверке правильности расчетов режимов резания, норм времени, фактических коэффициентов загрузки оборудования и др. При этом тип и организационная форма производства заранее предопределена и мало вероятно, чтобы вычисление значения коэффициента закрепления операций противоречили организуемому типу производства.

Для проверочного расчета воспользуемся данными, полученными в п.13 “Проектирование участка”, в котором получены данные об используемом оборудовании: расчетное и принятое количество станков и фактический коэффициент загрузки оборудования.

Малые расчетные значения коэффициента загрузки оборудования определяют требование по дозагрузке оборудования. Расчет коэффициента закрепления операций проводим с учетом дозагрузки оборудования, примерно равноценным по трудоемкости, операциями.

Вывод: полученное значение определяет среднесерийное производство, т.е. равенство 1 свидетельствует о строгом закреплении вида работ за одним оборудованием, но при расчете количество оборудования учитывалось совмещение операции по черновым и получистовым переходам, т.е. для их осуществление требовалась перенастройка станка, что говорит об их универсальности, универсальное оборудование применяется при серийном производстве. Значит производство корпусов мембранного патрона считается среднесерийное относительно коэффициента загрузки оборудования.

Стратегия и особенности технологического процесса среднесерийного производства

В зависимости от типа производства выбрать оптимальную стратегию разработки ТП - принципиальный подход к определению его составляющих (показателей ТП), способствующий обеспечению заданного выпуска деталей заданного качества с наименьшими затратами.

Согласно рекомендациям [2] принимаем следующую стратегию разработки ТП:

1) В области организации ТП:

Вид стратегии - последовательная, в отдельных случаях циклическая; линейная, в отдельных случаях разветвленная; жесткаяили адаптивная.

Форма организации ТП - переменно-поточная.

Повторяемость изделий - периодическая партиями.

2) В области выбора и проектирования заготовки:

Метод получения заготовки - отливка или штамповка.

Выбор методов обработки - по таблицам с учетом коэффициентов удельных затрат.

Припуск на обработку незначительный.

Метод определения припусков - укрупненный по таблицам, в на более точные поверхности расчёт по переходам.

3) В области разработки технологического маршрута:

Степень унификации ТП - разработка ТП на базе типового ТП.

Степень детализации разработки ТП - маршрутный ТП, на подробно анализируемых и совершенствуемых операциях - маршрутно-операционный технологический прооцесс.

Принцип формирования маршрута - экстенсивная, в отдельных случаях интенсивная концентрация операций.

Обеспечение точности - работа на настроенном оборудовании, с частичным применением активного контроля.

Базирование - с соблюдением принципа постоянства баз и по возможности - принципа совмещения баз.

4) В области выбора средств технологического оснащения (СТО):

Оборудование - универсальное, в том числе с ЧПУ.

Приспособления - универсальные, стандартные, универсально-сборные, в отдельных случаях специальные.

Режущие инструменты - стандартные, в отдельных случаях специальные.

Средства контроля - универсальные, в отдельных случаях модернизированные.

5) В области проектирования технологических операций:

Содержание операций - по возможности одновременная обработка нескольких поверхностей, исходя из возможностей оборудования.

Загрузка оборудования - периодическая смена деталей на станках.

Расстановка оборудования - по типам и размерам станков, местами по ходу ТП.

Настройка станков - по измерительным инструментам и приборам, либо работа без предварительной настройки, по промерам.

6) В области нормирования ТП:

Определение режимов резания - по общемашиностроительным нормативам, на подробно анализируемых и совершенствуемых операциях - по эмпирическим формулам.

Нормирование - укрупненное по опытно-статистическим нормам, на подробно анализируемых и совершенствуемых операциях - детальное пооперационное.

Квалификация рабочих - высокая.

Технологическая документация - маршрутно-операционные карты.

Принятой стратегией мы будем руководствоваться при разработке технологического процесса, подробно описанного в п.п.4-6.



3. Выбор и проектирование заготовки

3.1 Выбор вида и методов получения заготовки

3.1.1 Заготовку в базовом варианте техпроцесса получали из пруткового проката 200 мм.

Размеры заготовки d x L : 200 х 146

Масса заготовки из пруткового проката:

M ₃ = V (3.1)

где - плотность материала;

V - объем прутка;

(3.2)

где R - радиус прутка;

L - длина заготовки;

m_з = 7.85 10^-6 3.14 200² 146= 143,95 кг

коэффициент полезного использования материала:

(3.3)

где - масса детали;

- масса заготовки;



3.1.2 Заготовку в проектном варианте техпроцесса предложено изготовить методом пластического деформирования - штамповка на прессе с выталкивателем.

Для обоснования проведем ряд расчетов.

а) параметры облойной канавки:

толщина полика для облоя:

(3.4)

где - коэффициент равный 0,016;

- площадь поковки в плане.

= 42,4205+25,6160+7464=18298 мм²

другие параметры облойной канавки

б) припуски на обработку , действительные размеры на заготовку с назначенными допусками по ГОСТ 7505-89



Таблица 3.1

Размеры поковки

Номинальный размер детали	Припуск на стророну Z,мм	Допуск	Размер заготовки
58,217	2,9		64
152,4	3,8		160
196,85	4,0		205
38,075	2,2		42,4
63,475	2,3		68
139,7	2,5		142

в) Определение размеров исходной заготовки.

Объем исходной заготовки

(3.5)

где - объем поковки, рассчитываемый по номинальным, горизонтальным и вертикальным размерам чертежа поковки плюс половина положительного допуска;

- объем удара равный 0,5% ;

- объем облоя при штамповке;

= 3,14 (64² 42,4 + 160² 25,6+205² 74)/4 = 3092021,11 мм³

= 0,005 3092021,11 = 15460,1 мм³

(3.6)

где - коэффициент, учитывающий изменение фактической площади сечения получаемого облоя по сравнению с площадью сечения мостика;

- площадь сечения мостика;

- периметр поковки.

= 1,2 1,6 5 (1422+205+160) =6230,4 мм³

V_заг = 3092021,11 + 15460,1 +6230,4 = 3113711,62 мм³

г) Масса исходной заготовки и коэффициент использования материала.

m_з = 7.85 10^-6 3113711,62 = 24,44 кг

3.2 Экономическое обоснование выбора заготовки

Годовая программа выпуска деталей - 100 шт.

Отрасль - машиностроение.

3.2.1 Затраты на 1 кг стружки:

текущие

капитальные

3.2.2 Затраты на механическую обработку, отнесенные на 1 кг стружки.

(3.7)

где - нормативный коэффициент капитальных вложений, равный 0,1.

3.2.3 технологическая себестоимость изготовления заготовки.

а) полученной из проката:



(3.8)

где - масса заготовки, кг;

- цена 1 кг материала (3 руб.);

- масса готовой детали, кг;

- цена 1 кг отходов, руб.;

С_Т1 = 143,98 3 - (143,98-11,6) 0,3 = 392,22руб.

б) полученной штамповкой:

(3.9)

где - масса готовой детали;

- стоимость 1 кг заготовки;

- стоимость 1 кг отходов;

(4.12)

где - базовая стоимость 1 кг штампованных заготовок, = 4,15 руб.;

- коэффициент точности =1;

- коэффициент сложности = 0,88;

- коэффициент массы = 1;

- коэффициент материала = 1,27;

- коэффициент серийности, = 1;

Технологическая себестоимость изготовления детали методом штамповки оказалась ниже.

3.2.4 Экономический эффект при сопоставлении двух способов получения заготовки.

(4.13)

где - программа выпуска деталей

Э_э = (392,22-138,79) 100 = 25343 руб.

Вывод: Принимаем метод получения заготовки из штамповки на прессе с выталкивателем, при этом эффект составляет 25343 руб.



4. Выбор технологических баз. План обработки

4.1 Выбор технологических баз

Теоретическая схема базирования представляет собой схему расположения на технологических базах заготовки "идеальных" точек, символизирующих позиционные связи заготовки с принятой схемой координат станочного приспособления.

Поскольку деталь корпус мембранного патрона представляет собой симметричную деталь относительно главной оси. В целом, все токарные операции осуществляют по двойной направляющей и торцу. На фрезерной операции обработка ведется по аналогичным базовым поверхностям как и на токарной операции, поскольку применен горизонтально-фрезерный станок. На расточной операциях заготовку необходимо установить на примы, а это также базирование по двойной направляющей, для закрепления заготовки необходимо осуществить два зажима. На шлифовальных операциях, также базирование осуществляется по двойной направляющей и торцу, на круглошлифовальной операции двойная направляющая по внутренней поверхности, обработка на оправке, на внутришлифовальной - по наружным наиболее точным поверхностям.

При проектировании операций будем руководствоваться неотъемлемыми принципами постоянства и единства баз.

Схемы базирования представлена на плана обработки.

4.2 Технологический маршрут и план изготовления детали

Разработаем технологический маршрут на базе типового техпроцесса, что обеспечит его более высокое качество при сокращении времени разработки, учитывая, что тип производства - серийный.

Разработаем кодировку размеров (рис.4.1).

Последовательность изготовления детали сведем в таблицу 4.1

Таблица 4.1

Технологический маршрут изготовления детали

№ опер.	Название операции	Модель станка
005	4110 Токарная	Токарно-винторезный 16К20
010	4110 Токарная	Токарно-винторезный 16К20
015	4260 Фрезерная	Горизонтально-фрезерный, FW-315
020	0108 Слесарная	Слесарная площадка
025	4223 Коорд.-расточная	Коорд.-расточной, ф.Хеккерд
027	5181 Цементация	ТО
030	4223 Коорд.-расточная	Коорд.-расточной, ф.Хеккерд
035	0180 Маркировочная	Кант.площадка
040	0200 Контроль	Контрольный стол
043	5130 Закалка	ТО
045	4190 Отделочная	Вертикально-доводочный станок С15
050	4131 Круглошлифов.	Круглошлифовальный 1307
055	4131 Круглошлифов.	Спец.круглошлифовальный
065	4132 Внутрешлифов.	Cпeц.Bнутришлиф. Г-917X
070	0200 Контрольная	Контрольный стол
075	0801 Консервация	Кант.площадка
080	0830 Упаковка	Кант.площадка

План изготовления детали вынесем на лист чертежа [ ].

Верхний индекс номеров поверхностей и размеров обозначает номер операции, на которых они были получены.

Для наглядного обзора плана обработки проведем кодировку размеров, представленную на рис.4.1, а также применим кодировку поверхностей изображенную на рис.1.1.



Кодировка размеров

Рис. 4.1



5. Выбор средств технологического оснащения

Задача данного раздела - выбрать для каждой операции ТП такие оборудование, приспособление, режущий инструмент (РИ) и средства контроля, которые бы обеспечили заданный выпуск деталей заданного качества с минимальными затратами.

Представим выбранное оборудование в таблице 5.1, где сведем все сведения по выбору средств технологического оснащения, который проводился с использованием [6] и [7], по каждой операции с указанием ГОСТов на стандартный инструмент и приспособление. Также в технологическом процессе проектного варианта выбраны и спроектированы спецприспособления, специнструмент и спецоснастка, которая позволит получить наиболее точные данные, либо обеспечит обработку с наименьшими затратами путем повышения его стойкости, либо снизит время на обработку при применении иного - проектного варианта обработки, в частности на фрезерной операции, в которой будет применена виброобработка, требующая дополнительного оснащения, но позволяющая осуществить операцию с наибольшей производительностью.

Таблица 5.1

Выбор средств технического оснащения

№ оп.	Название операции	Наименование и модель оборудования	Наименование приспособления	Наименование инструмента	Наименование измерительного средства
1	2	3	4	5	6
005	4110 Токарная	Токарно-револьверный станок модели 1А661	Трехкулачковый патрон ГОСТ 3890-82 Центр вращающийся ГОСТ 8742-75	Резец токарный черновой проходной изогнутый Р18	1 Микрометр ГОСТ 6507-78, 2 Штангенциркуль ШЦIII-400-0,1 ГОСТ 160-80
010	4110 Токарная	Токарно-револьверный станок модели 1А661	Трехкулачковый патрон ГОСТ 3890-82 Центр вращающийся ГОСТ 8742-75	Резец токарный черновой проходной изогнутый Р18	1 Микрометр ГОСТ 6507-78, 2 Штангенциркуль ШЦIII-400-0,1 ГОСТ 160-80
015	4260 Фрезерная		Трехкулачковый патрон ГОСТ 3890-82 Центр неподвижный ГОСТ 8740-75	Фреза концевая 20 Т5К10 (Р40) ГОСТ 9304-69, Фреза концевая специальная	1.Штангенциркуль ШЦIII-400-0,1 ГОСТ 160-80 2. Шаблон
020	0108 Слесарная	-	-	Цеховой инструмент	-
025	4223 Коорд.-расточная		Призмы УСП ГОСТ 12195-69, Зажим УСП	Фреза концевая 25 Т5К10 (Р40) ГОСТ 9304-69, Сверло ГОСТ 14952-75 тип В, d=6,3 ГОСТ 14952-80 Метчик машинный Т30К4 (Р01) ГОСТ 17933-72	1.Штангенциркуль ШЦIII-400-0,1 ГОСТ 160-80 2. Шаблон
027	5181 Цементация	ТО
030	4223 Коорд.-расточная		Призмы УСП ГОСТ 12195-66, Зажимной меха- низм УСП, Упор УСП	Сверло ГОСТ 14952-75 типа А ГОСТ 10903-77	Штангенциркуль ШЦIII-400-0,1 ГОСТ 160-80
035	0180 Маркировочная	Кантплощадка	-	Цеховой инструмент	-
040	0200 Контроль	Контрольный стол	-	-	Штангенциркуль ШЦIII-400-0,1 ГОСТ 160-80
043	5130 Закалка	ТО
045	4190 Отделочная	Вертикально-доводочный станок С15	Четырехкулачковый патрон ГОСТ 3890-82 Центр вращающийся ГОСТ 8742-75	Цеховой абразивный инструмент	Скоба рычажная СР ГОСТ 11098-75
050	4131 Круглошлифов.	Круглошлифовальный 1307	Четырехкулачковый патрон ГОСТ 3890-82 Центр вращающийся ГОСТ 8742-75	Круг шлифовальный 25А16СМ17К ГОСТ 2424-83	Скоба рычажная СР ГОСТ 11098-75
055	4131 Круглошлифов.	Круглошлифовальный 1307	Четырехкулачковый патрон ГОСТ 3890-82 Центр вращающийся ГОСТ 8742-75	Круг шлифовальный 25А16СМ17К ГОСТ 2424-83	Скоба рычажная СР ГОСТ 11098-75
065	4132 Внутришлифов.	Cпeц.Bнутришлиф. Г-917X	Четырехкулачковый патрон ГОСТ 3890-82 Центр вращающийся ГОСТ 8742-75	Круг шлифовальный 25А16СМ17К ГОСТ 2424-83	Скоба рычажная СР ГОСТ 11098-75 Калибр-пробка
070	0200 Контрольная	Контрольный стол	-	-	Спецприспособление контрольное
075	0801 Консервация	Кантовочная площадка	--	--	--
080	0830 Упаковка	Кантовочная площадка	--	--	--



6. Аналитические исследования процесса вибробработки

Интенсификация технологических процессов и автоматизация производства при обработке металлов резанием, характерные для современного машиностроения, зачастую сдерживаются из-за наличия сливной стружки, образующейся в процессе резания. Это снижает производительность труда, создает трудные (а иногда и неприемлемые) условия для использования автоматизированного оборудования (в том числе станков с ЧПУ и промышленных роботов), затрудняет хранение и транспортировку отходов производства, приводит к повышенному травматизму. Проблема дробления стружки является весьма актуальной для обработки металлов резанием лезвийным инструментом. Этим объясняется разработка многочисленных мероприятий и устройств для получения мелкой стружки. Однако большинство из этих мероприятий имеют ограниченное применение или требуют длительных экспериментальных исследований с целью нахождения оптимальных параметров.

Вибрационное резание металлов как способ дробления стружки выгодно отличается тем, что создает требуемый эффект в тех случаях, когда использование общеизвестных способов не дает положительного результата. Оно обеспечивает надежное дробление стружки при обработке любого материала на различных режимах за счет мгновенного прерывания процесса резания. Известны также и другие достоинства данного способа обработки, такие как принципиальная возможность повышения обрабатываемости материалов и стойкость инструмента. Однако данные вопросы достаточно обширны и требуют самостоятельного рассмотрения. Поэтому вибрационное резание рассматривается авторами прежде всего как один из наиболее эффективных способов дробления стружки.

В литературе, посвященной вибрационному резанию, встречаются описания вибраторов различных типов. Однако описание инерционно-импульсных приводов как вибраторов, предназначенных для резания металлов, можно встретить только в вузовских сборниках научных трудов. Вместе с тем они обладают рядом специфических особенностей, в большой степени отвечающих требованиям, предъявляемым к возбудителям колебаний для вибрационного резания.

Неотъемлемым свойством резания металлов как технологического процесса является наличие вибраций, вызванных самим ходом процесса или внешними факторами. Современные исследования вибраций при резании металлов ведутся по двум направлениям. Первое - связано с гашением вибраций, неблагоприятных при механической обработке, ведущих к снижению качества поверхности, точности обработки и стойкости инструмента; второе - с освоением метода вибрационного резания, использующего положительное влияние вибраций. Применение вибрационного резания не противоречит широкому использованию средств гашения вибраций. Познание физической сущности вредного явления, его правильное использование приводит к полезным практическим результатам.

Сущность процесса вибрационного резания заключается в том, что на обычно принятую для данной операции кинематическую схему накладывается дополнительное направленное вибрационное движение инструмента относительно заготовки. Физическими особенностями процесса резания являются, таким образом, периодическое изменение режимов резания и, как следствие этого, переменная циклическая нагрузка на обрабатываемый материал и режущий инструмент.

При правильном выборе направления колебаний, их частоты и амплитуды использование вибрационного резания гарантирует периодический излом стружки. При этом параметры вибрационного движения (частота, амплитуда), обеспечивающие дробление, определяются режимами резания, но не зависят от обрабатываемого материала, поскольку дробление стружки во всех случаях может быть получено за счет мгновенного прерывания процесса резания. Указанная особенность объясняется тем, что при вибрационном резании дробление стружки происходит с переменными параметрами согласно приведенной выше классификации способов дробления стружки. Поэтому вибрационное резание обеспечивает получение мелкой стружки без предварительного проведения длительных экспериментальных исследований, связанных с подбором геометрии инструмента, режимов резания и т. д. Использование вибрационного резания уже гарантирует получение требуемого эффекта.

Изложенное выше позволяет считать вибрационное резание одним из наиболее эффективных из известных в настоящее время способов освобождения резания металлов от недостатков, связанных со сливной стружкой. Использование вибрационного резания способствует повышению производительности и улучшению условий труда, создает благоприятные возможности для механизации и автоматизации производства, в частности, при применении промышленных роботов.

В ряде случаев при вибрационном резании создаются предпосылки для улучшения обрабатываемости материалов, а также для повышения стойкости инструмента. Возникающие при этом усилия носят переменный характер и, как показывают исследования проф. В. Н. Подураева, снижаются по сравнению с усилиями при статическом резании. Знакопеременная нагрузка, возникающая при виброрезании, вызывает появление субмикроскопических трещин, вокруг которых концентрируются внутренние напряжения. Этот факт является предпосылкой повышения обрабатываемости материалов. Особенно чувствительные к концентрации напряжений корозионностойкие и жаропрочные стали. Повышению стойкости инструмента способствует упомянутое выше снижение усилий резания. Кроме того, наложение вибраций при резании заменяет непрерывное взаимодействие рабочих поверхностей инструмента с обрабатываемым материалом прерывистым и тем самым повышает эффективность воздействия окружающей среды путем более надежного периодического омывания режущего клина инструмента СОЖ. Это приводит к снижению температуры и повышению стойкости инструмента. Особенно большое значение это явление приобретает при прерывистом резании: в этом случае омывание режущего клина СОЖ наиболее эффективно и, кроме того, повышение стойкости инструмента достигается за счет периодического отдыха режущей кромки (в промежутке времени, при которых резание не производится).

Перечисленные достоинства позволяют считать резание с вибрациями одним из перспективных методов обработки металлов. Однако необходимо отметить, что вибрационному резанию присущи и определенные недостатки. Прежде всего, это принудительное создание вибраций в процессе резания, что приводит к снижению точности и качества поверхности и в ряде случаев - стойкости инструмента, вызванному вибрационным воздействием на него. Кроме того, придание вибраций инструменту или обрабатываемой детали создает дополнительные динамические нагрузки на привод станка. Поэтому не следует рассматривать вибрационное резание как идеальный способ обработки металлов.

Одновременное обеспечение всех достоинств вибрационного резания вряд ли возможно практически, поскольку все характеристики резания металлов (усилия, температура, точность, качество поверхности и т. д.) очень тесно взаимосвязаны друг с другом, поэтому улучшение одних характеристик может привести к ухудшению других. Следовательно, при использовании вибрационного резания необходим разумный компромисс, позволяющий добиваться наиболее важного и необходимого эффекта даже за счет небольшого ухудшения некоторых других, менее важных показателей.

Как было показано выше, важнейшим положительным эффектом вибрационного резания является дробление стружки. Известно, что к важным экономическим и технологическим показателям процесса резания относится стойкость инструмента. Поэтому при использовании вибрационного резания целесообразно добиваться прежде всего дробления стружки при повышении стойкости инструмента или по крайней мере сохранении на уровне статического резания. Получаемые за счет дробления стружки положительные явления, по нашему мнению, оправдывают некоторое возможное ухудшение других показателей процесса резания.

6.1 Кинематика вибрационного резания при различных видах вибраций

Основными задачами анализа кинематики процесса резания при задании инструменту или обрабатываемой детали линейных или угловых вибраций различных направлений (см. рис. 7.1) являются выявление возможностей дробления стружки, а также оценка качества обработанной поверхности и конструктивной реализации для каждого из видов вибраций.

Кинематика процесса резания обычно исследуется в предположении отсутствия остаточных пластических деформаций как на обработанной поверхности, так и у снимаемой стружки. Внешний вид обработанной поверхности при этом представляет собой совокупность мгновенных положений режущих кромок инструмента относительно обрабатываемой детали. Вместо понятия стружки вводится понятие «срезаемый слой».

Кроме того, исследование кинематики процесса резания проводится в предположении абсолютной жесткости системы СПИД. При этом отличие фактической обработанной поверхности от поверхности, полученной при исследовании кинематики процесса резания, будет тем меньше, чем более высока жесткость системы СПИД, поскольку пластические деформации этой поверхности в результате резания обычно на порядок меньше, чем глубина резания и подача. Фактически получаемая в процессе резания стружка будет отличаться от срезаемого слоя вследствие ее искривления и усадки за счет пластической деформации. Однако это отличие (особенно сечений стружки и срезаемого слоя) чаще всего не бывает таким существенным, чтобы качественно менять картину, получаемую при исследовании кинематики резания. Поэтому исследование характера срезаемого слоя достаточно точно характеризует образуемую при резании стружку. При анализе кинематики процесса резания с вибрациями удобно применять метод инверсии, т. е. предполагать заготовку неподвижной, а инструмент перемещающимся относительно её со скоростью резания V_р. За инструментом сохраняется движение подачи и дополнительно накладывается вибрационное движение. Кроме того, при обработке цилиндрических поверхностей более наглядной является развертка этой поверхности.

Кинематика процесса резания с вибрациями, направленными вдоль одной из осей координат (см. рис. 7.1), исследована в ряде работ. Однако при этом недостаточно полно, на наш взгляд, освещен вопрос о влиянии кинематики вибрационного резания на качество обработанной поверхности. Кроме того, не рассмотрены отличия резания с угловыми вибрациями от линейных. Поэтому представляется целесообразным следующий путь исследования: рассмотрение на первом этапе линейных вибраций одновременно с позиций возможности дробления стружки и качества обработанной поверхности и установление на основе этого на втором этапе отличий угловых вибраций от близких к ним линейных.

6.2 Резание с осевыми и близкими к ним угловыми вибрациями

При резании с осевыми вибрациями (с, индексом 1, рис. 7.1) инструмент относительно заготовки помимо основного движения со скоростью резания v_p и движения вдоль оси заготовки с подачей S_Р совершает колебательное движение в направлении подачи, т. е. параллельно оси заготовки.

На рис. 7.2 изображены графические построения разверток обработанной поверхности, полученной при резании с осевыми вибрациями при амплитуде, не обеспечивающей прерывание процесса резания (рис. 7.2, а) и достаточной для этого (рис. 7.2, б). На поверхности тонкими линиями показаны режущие кромки инструмента через четверть периода колебаний. Штриховыми линиями показаны следы вершины резца при равномерном резании, т. е. при резании с постоянной подачей. Здесь же заштрихованы сечения срезаемого слоя через четверть периода колебаний. Траектории движения вершины резца при резании с вибрациями показаны сплошными линиями; так же показаны линии пересечения поверхностей, образованных движением главной режущей кромки резца (справа от линии) и вспомогательной режущей кромки на следующем обороте детали (слева от линии). При построениях колебания инструмента принимались гармоническими.

Длина окружности, описывающей обработанную поверхность, значительно больше подачи инструмента на оборот детали, т. е. D_Д >>S_p (рис. 7.2). Поэтому траектории вершины резца на двух соседних оборотах мало отличаются от синусоид с одинаковой частотой и амплитудой, сдвинутых относительно друг друга вдоль оси х_р на величину подачи и вдоль оси z_p - на фазовый угол _о. Этот угол характеризует длину части волны колебаний, не уложившейся нацело на одном обороте детали, и может быть определен следующим образом. Фазовый угол то, соответствующий одному обороту детали, определяющий соотношения между круговой частотой колебаний и угловой скоростью детали _Д:

'₀ = 2/_Д (7.1)

Отношение /_Д можно представить как сумму его целостной части k, являющейся числом волн колебаний, откладывающихся нацело на одном обороте, и дробной q:

/_Д = k + q(7.2)

Очевидно, что взаимное расположение синусоид определяется только дробной частью отношения /_Д, поэтому

₀ = 2 q(7.3)

Рис.7.2 Схема резания с осевыми вибрациями

При резании без вибраций расстояние а между траекториями вершины резца на двух соседних оборотах постоянно и равно осевой подаче S_p. При резании с осевыми вибрациями это расстояние есть величина переменная и зависящая, помимо подачи, от амплитуды колебаний А₁ фазового угла = t и угла сдвига фаз (7.3):

= S_p + А₁ sin - А₁ sin( - ₀)(7.4)

Из рис. 7.3,а видно, что это расстояние определяет высоту микронеровностей h₁ и площадь сечения срезаемого слоя F₁:



(7.5)

т. е. h₁ пропорционально a, a F₁ почти пропорционально а (поскольку в выражении (7.5) для F₁ второе слагаемое значительно меньше первого). Тогда при a = a_min площадь сечения срезаемого слоя наименьшая и здесь наиболее вероятен излом стружки, при а = а_тах высота микронеровностей наибольшая и ее величина определяет класс шероховатости обработанной поверхности. Поэтому возможности дробления стружки и качество обработанной поверхности определяются величинами а_тin и а_тах, которые можно найти в результате исследования функции (7.4) на экстремум:

dа/d = А₁ cos - А₁ cos ( - ₀)= 0(7.6)

откуда

(7.7)

Уменьшение площади сечения срезаемого слоя до F₁=F_1min является серьезной предпосылкой к излому стружки. Однако установить величину F_min, при которой происходит излом, весьма затруднительно вследствие зависимости ее от очень многих факторов. С другой стороны, резание с осевыми вибрациями может обеспечить гарантированное дробление стружки независимо от условий обработки за счет мгновенного прерывания процесса резания, т. е. за счет уменьшения F_{l min} до нуля. Такой случай изображен на рис. 7.3,б, из которого видно, что для получения данного эффекта траектории вершины резца на двух соседних оборотах должны касаться, что соответствует выполнению условия

a_min = 0 (7.7)

Тогда из второго выражения системы (7.6) имеем

(7.8)

Выражение (7.8) является условием надежного дробления стружки при обработке любого материала и при любых параметрах технологического процесса.

Из выражения (7.8) видно, что амплитуда, гарантирующая дробление стружки, зависит от подачи, а также от угла то, что накладывает определенные ограничения на соотношение между частотой колебаний и частотой вращения детали. В частности, при ₀ = 0 (q = 0) имеет место A₁ , т. е. дробления стружки невозможно добиться никаким увеличением амплитуды. Поэтому для получения ограниченной ее величины по выражению (7.8) отношение со/сод не должно быть целым числом. Практически целесообразным представляется следующее ограничение:

А₁ S_Р (7.9)

Тогда из формул (3) и (8) следует

0.167 q 0.833(7.10)

т. е. область значений q, удовлетворяющих условию (7.9), достаточно велика. Из выражения (7.8) также видно, что при _о = (q=0,5) амплитуда колебаний, обеспечивающая дробление стружки, наименьшая:



А₁ = 0,5 S_Р (7.11)

Как было отмечено выше, высота микронеровностей обработанной поверхности определяется первым из соотношений (7.5) и зависит от расстояния а. При резании с вибрациями это расстояние на отдельных участках поверхности превышает подачу, вследствие чего резание с осевыми вибрациями повышает шероховатость обработанной поверхности по сравнению с равномерным резанием. В частности, при прерывистом резании, т. е. при выполнении условия (7.8), из первого выражения (7.5) с учетом (7.6) получаем

(7.12)

т. е. высота микронеровностей вдвое больше, чем при равномерном резании. Поэтому применение резания с осевыми вибрациями ограничено черновыми и получистовыми операциями, при которых не предъявляется жестких требований к качеству обработанной поверхности.

Характерным для поверхности, полученной при резании с осевыми вибрациями, является то, что она создает хорошие предпосылки для дробления стружки при резании без вибраций на последующем чистовом проходе. На чистовых операциях глубина и подача задаются достаточно малыми, вследствие чего глубина резания оказывается соизмеримой с высотой микронеровностей, полученных при резании с осевыми вибрациями. Таким образом, сечение срезаемого слоя на чистовом проходе будет переменным, что в большей степени способствует дроблению стружки.



6.3 Резание с радиальными и близкими к ним угловыми вибрациями

При резании с радиальными вибрациями инструмент относительно заготовки совершает колебательное движение в направлении, перпендикулярном к оси заготовки, т. е. в направлении поперечной подачи. На рис. 7.3,а показана развертка обработанной поверхности, получаемой на операции проточки; на рис. 7.3,б -- сечения срезаемого слоя. Для сравнения с осевыми вибрациями при геометрических построениях приняты те же режимы резания и геометрия инструмента, что и на рис. 7.2.

При резании с радиальными вибрациями площадь сечения срезаемого слоя Fz помимо постоянных факторов определяется расстоянием у, измеренным вдоль оси у_р между главными режущими кромками на двух соседних оборотах (рис. 7.3, б слева). Если принять закон колебаний инструмента синусоидальным, то это расстояние определяется следующим образом:

(7.13)

Дробление стружки будет обеспечено при у = 0, т.е. при совпадении положений главной режущей кромки на двух соседних оборотах (рис. 7.3,б справа). По аналогии с осевыми вибрациями исследование функции (7.13) на экстремум с добавлением условия y_min = 0 позволяет определить амплитуду радиальных вибраций A₂, необходимую для надежного дробления стружки:

(7.14)

Согласно справочным данным, применяемый в обычных условиях угол _И 45. Следовательно, при резании с радиальными вибрациями на операции проточки амплитуда колебаний, необходима для надежного дробления стружки, превышает аналогичную амплитуду осевых вибраций при прочих равных условиях.

Рис.7.3 Схема резания с радиальными вибрациями и осевой подачей

Высота микронеровностей обработанной поверхности определяется как расстояние между самой высокой и самой низкой точками поверхности. Поэтому при резании с радиальными вибрациями эта высота равна сумме амплитуды колебаний, соответствующей максимальному заглублению вершины резца ниже уровня обработанной поверхности (рис. 7.3, а) и высоты гребешков, возвышающихся над уровнем обработанной поверхности. Как видно из (7.14), в случае надежного дробления стружки при _о = величина наибольшего заглубления будет минимальной:

(7.15)

Тогда отношение максимальной величины заглубления к максимальной высоте микронеровностей, получаемых при резании с осевыми вибрациями и определяемых по (7.12), составит

(7.16)

Согласно справочным данным, для обычных условий резания применяют 15°, поэтому с учетом указанного выше значения угла из уравнения (7.16) получаем

(7.17)

Если учесть высоту гребешков, возвышающихся над уровнем обработанной поверхности, то становится очевидным превышение высоты микронеровностей при резании с радиальными вибрациями по сравнению с осевыми.

Рис.7.4 Схема резания с поперечной подачей и радиальными вибрациями

Таким образом, сравнение радиальных и осевых вибраций, используемых на операциях с осевой подачей, показывает, что предпочтение следует отдать последним. Резание с осевыми вибрациями требует меньшей амплитуды для получения прерывистого резания, при этом качество обработанной поверхности оказывается лучше, чем при резании с радиальными вибрациями.

Однако радиальные вибрации являются эффективным средством дробления стружки на операциях с поперечной подачей (отрезка, прорезка, обработка фасонными резцами). На рис. 7.4 показана кинематика такого резания. Штриховой линией обозначен след вершины резца, оставляемый на заготовке при равномерном резании, сплошной линией - тот же след при наложении радиальных вибраций. Из рисунка видно, что в определенные моменты времени (точка К) имеет место совпадение следов вершины резца на двух соседних оборотах. Это приводит к образованию нулевой площади сечения срезаемого слоя и надежному дроблению стружки. Очевидно, что расстояние между следами вершин резца на двух соседних оборотах определяется выражением (7.4), а амплитуда А₂, необходимая для прерывания процесса резания,-- выражением (7.8). Поскольку операции с поперечной подачей (особенно отрезка) довольно широко распространены, то резание с радиальными, вибрациями следует признать полезным для практического пользования.

Близкими к радиальным являются угловые колебания вокруг оси,-параллельной Ох_р и расположенной, в плоскости x_p 0 z_p , т. е. вибрации с индексами 6 и 6' на рис. 7.1. При данном виде вибраций имеют место отклонения вершины резца в направлении скорости резания. Однако, как показывает анализ, эти отклонения настолько малы, что практически не влияют на кинематику процесса резания в целом, поэтому вряд ли требуют специального рассмотрения. Данный вид вибраций без особых затруднений реализуется практически и может успешно применяться на операциях с поперечной подачей.

Вибрации вокруг оси, параллелной z_p и расположенной в плоскости x_p0z_p (вибрации с индексами 11 и 11') также близки к радиальным. Большим их недостатком являются перемещения резца (хотя и малые) в направлении оси заготовки. Это приводит к увеличению ширины реза на операции отрезки, т. е. к повышенному расходу металла, а также к изгибу резца в слабом сечении, что является серьезной опасностью его поломки. Кроме того, привод, обеспечивающий данный вид вибраций, конструктивно выполнить довольно сложно, поскольку его установке препятствует обрабатываемая деталь. Поэтому использование таких колебаний для вибрационного резания нецелесообразно.

6.4 Резание с тангенциальными и близкими к ним угловыми вибрациями

При резании с тангенциальными вибрациями (см. рис.7.1, поз. 3) инструмент относительно заготовки помимо основного движения резания и движения подачи совершает колебания в направлении скорости резания, т. е. касательно к обработанной поверхности. На рис. 7.5, а изображена схема резания с тангенциальными вибрациями, из которой видно, что колебания резца в направлении оси z_p, приводят к однонаправленным колебаниям его вершины в радиальном направлении. Это иллюстрирует рис. 7.5,б, на котором верхний график представляет собой задаваемые тангенциальные вибрации, а нижний - получаемые радиальные:

(7.18)

Если задаваемые тангенциальные вибрации гармонические, то получаемые радиальные мало отличаются от однонаправленных гармонических. Из рис. 7.3,6 и72.5, б видно, что амплитуда однонаправленных радиальных колебаний А_2-3, необходимая для прерывания процесса резания на операциях с продольной подачей, приближенно может быть определена следующим образом:

(7.19)

Сравнение (7.19) и (7.14) показывает, что на всем интервале 0 ₀ 2 знаменатель первого выражения меньше знаменателя второго. Поэтому амплитуда однонаправленных радиальных вибраций А_2-3, необходимая для надежного дробления стружки, больше той же амплитуды А₂ при гармонических колебаниях. Кроме того, для получения требуемой амплитуды А_2-3 необходимо задавать тангенциальные колебания с амплитудой А₃ > А_2-3.

Рис.7.5 Схема резания с тангенциальными вибрациями

Таким образом, для надежного дробления стружки на операциях с продольной подачей тангенциальные вибрации требуют большей амплитуды, чем радиальные, поэтому применение их с этой целью нерационально. В равной мере это относится и к резанию с радиальной подачей и тангенциальными вибрациями. Данный вид колебаний может использоваться для улучшения обрабатываемости материалов за счет периодического изменения скорости резания. Однако данный эффект может быть получен либо с использованием высокочастотных и ультразвуковых вибраций, либо с кратковременным, но значительным возрастанием скорости при низкочастотных негармонических колебаниях, как это имеет место при ударно-прерывистом методе резания.

Угловые вибрации вокруг оси, параллельной осевой подаче и расположенной в плоскости x_p0z_p (индексы 5 и 5' на рис. 7.1) обладают всеми особенностями тангенциальных вибраций, причем получаемые радиальные колебания уменьшаются с уменьшением расстояния от оси колебаний до оси заготовки. Особое положение занимают вибрации вокруг оси заготовки (индекс k на рис. 7.1), т. е. так называемые «крутильные» вибрации, при которых радиальные отклонения резца от заготовки равны нулю. Это дает определенные преимущества с точки зрения качества обработанной поверхности. На рис. 2.6 показаны траектории движения вершины резца на развертке обработанной поверхности при резании с крутильными вибрациями. Как и в случае осевых колебании, здесь также имеет место изменение расстояния между траекториями от а_mах до a_min. Надежное дробление стружки за счет мгновенного прерывания процесса резания будет иметь место при касании друг друга траекторий.