Технология конструкционных материалов

При строгании режим резания составляет совокупность величин: скорости главного движения резания, подачи и глубины резания.

Глубина резания (мм) - наибольшее расстояние, на которое проникает режущая кромка в заготовку; ее измеряют в плоскости, перпендикулярной к направлению движения подачи. При строгании и долблении движение подачи является прерывистым и осуществляется в конце вспомогательного хода заготовки или резца. Величины подачи и глубины резания выбирают из справочников. Задавшись глубиной резания и подачей, по эмпирической формуле определяют скорость главного движения резания (м/с).Строгальные станки предназначены для обработки резцами плоских поверхностей, канавок, фасонных линейчатых поверхностей в условиях единичного и мелкосерийного производств. Широкое применение строгальные станки находят в станкостроении и тяжелом машиностроении, когда необходимо обрабатывать крупные, массивные заготовки станин, корпусов, рам, оснований, колонн и других деталей.

В зависимости от конструктивных и технологических признаков строгальные станки подразделяют на ряд типов: поперечно- и продольно-строгальные, долбежные и специальные. Наибольшее использование находят продольно-строгальные станки, предназначенные для обработки сравнительно крупных заготовок. Строгальные резцы по сравнению с токарными работают в более тяжелых условиях, так как резец, врезаясь в материал заготовки, при каждом рабочем ходе испытывает ударную (динамическую) нагрузку. Под действием этой нагрузки резец изгибается в сторону опорной поверхности стержня.

Строгание горизонтальных плоскостей выполняют проходными резцами, вертикальных и наклонных плоскостей - подрезными резцами, пазов - прорезными резцами и т.д.

Протягивание - высокопроизводительный метод обработки внутренних и наружных поверхностей, обеспечивающий высокую точность формы и размеров обрабатываемой поверхности. Протягивают многолезвийным режущим инструментом - протяжкой - при его поступательном движении относительно неподвижной заготовки (главное движение резания). Скорость главного движения резания лимитируется условиями получения обработанной поверхности высокого качества и ограничивается технологическими возможностями протяжных станков.

Движение подачи при протягивании как самостоятельное движение инструмента или заготовки отсутствует. За величину подачи., определяющую толщину срезаемого слоя отдельным зубом протяжки, принимают подъем на зуб, т.е. разность размеров по высоте двух соседних зубьев протяжки; она же является одновременно и глубиной резания. Подача в основном зависит от обрабатываемого материала, конструкции протяжки и жесткости заготовки и составляет 0,01... 0,2 мм/зуб. Оптимальные параметры режима резания выбирают из справочников.

Протяжные станки отличаются простой конструкцией и эксплуатации. Это обусловлено тем, что формообразование поверхности на протяжном станке осуществляется копированием формы режущих кромок зубьев инструмента.

Протяжные станки предназначены для обработки внутренних и наружных поверхностей различной формы, чаще всего в условиях серийного и массового производств. Протяжные станки имеют гидравлический привод и часто работают в полуавтоматическом режиме. В зависимости от вида обрабатываемых поверхностей их делят на станки для внутреннего и наружного протягивания; по направлению главного движения резания - на горизонтальные и вертикальные.

Фрезерование - один из высокопроизводительных и распространенных методов обработки поверхностей заготовок многолезвийным режущим инструментом - фрезой.

Технологический метод формообразования поверхностей фрезерованием характеризуется главным вращательным движением инструмента и обычно поступательным движением подачи. Движением подачи может быть и вращательное движение заготовки вокруг оси вращающегося стола или барабана (карусельно- и барабанно-фрезерные станки).

На фрезерных станках обрабатывают горизонтальные, вертикальные и наклонные плоскости, фасонные поверхности, уступы и пазы различных профилей. Особенность процесса фрезерования - прерывистость резания каждым зубом фрезы. Зуб фрезы находится в контакте с заготовкой и выполняет работу резания только на некоторой части оборота, а затем продолжает движение, не касаясь заготовки до следующего врезания.

При цилиндрическом фрезеровании плоскостей работу выполняют зубья, расположенные на цилиндрической поверхности фрезы. При торцовом фрезеровании плоскостей в работе участвуют зубья, находящиеся на цилиндрической и торцовой поверхностях фрезы.

Цилиндрическое и торцовое фрезерование в зависимости от направления вращения фрезы и направления подачи заготовки можно осуществлять двумя способами:

1) против движения подачи (встречное фрезерование), когда направление скорости движения подачи противоположно направлению скорости главного движения резания;

2) по направлению движения подачи (попутное фрезерование), когда направления скоростей движения подачи и главного движения резания совпадают.

К режиму резания при фрезеровании относят скорость главного движения резания v, подачу s, глубину резания t, ширину фрезерования В.

Скорость главного движения резания, т.е. окружная скорость вращения фрезы, м/с. Подача - величина перемещения обрабатываемой заготовки в минуту (мм/мин) за время углового поворота фрезы на один зуб s, (мм/зуб) или за время одного оборота фрезы s₀ (мм/об.). Глубина резания t (мм) - расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями. Ширина фрезерования В (мм) измеряется в направлении, параллельном оси фрезы при цилиндрическом фрезеровании и перпендикулярном к направлению движения подачи при торцовом фрезеровании.

В процессе фрезерования каждый зуб фрезы преодолевает силу сопротивления металла резанию. Фреза должна преодолеть суммарные силы резания, которые складываются из сил, действующих на зубья, находящиеся в контакте с заготовкой.

Фрезерные станки предназначены для обработки наружных и внутренних поверхностей различного профиля.

Конструкции фрезерных станков многообразны. Выпускают станки универсальные, специализированные и специальные.

18 ЗУБОНАРЕЗАНИЕ

На зубообрабатывающих станках выполняют обработку фасонных поверхностей различного профиля, равномерно расположенных по окружности, однако преимущественно обрабатывают фасонные поверхности эвольвентного профиля, используемые для профилирования боковых поверхностей зубьев зубчатых колес. Зубчатые колеса широко применяют в передачах современных машин и приборов, поэтому в данной главе основное внимание сосредоточено на обработке зубчатых колес различными технологическими методами.

Различают два метода получения фасонных профилей, равномерно расположенных по окружности: копирование и обкатку (огибание).

Копирование - метод, основанный на профилировании, например, зубьев фасонным инструментом, профиль режущей части которого соответствует профилю впадины нарезаемого зубчатого колеса.

Метод копирования не обеспечивает высокой точности и имеет сравнительно низкую производительность.

Обкатка - метод, основанный на зацеплении зубчатой пары: режущего инструмента и заготовки.

Различные положения режущих кромок относительно формируемого профиля зубьев на заготовке получают в результате кинематически согласованных вращательных движений инструмента и заготовки на зуборезном станке. Метод обкатки обеспечивает непрерывное формообразование зубьев колеса. Нарезание зубчатых колес этим методом получило преимущественное распространение вследствие высокой производительности и значительной точности обработки.

Наиболее широкое распространение в промышленности получили зубообрабатывающие станки, на которых формообразование зубьев осуществляется по методу обкатки. На этих станках зубчатые колеса в зависимости от используемого режущего инструмента нарезают различными технологическими методами.

Зубофрезерные станки предназначены для нарезания цилиндрических колес внешнего зацепления с прямыми и косыми зубьями и червячных колес.

Зубодолбежные станки предназначены для нарезания цилиндрических зубчатых колес внешнего и внутреннего зацепления с прямыми и косыми зубьями. На этих же станках можно нарезать блоки зубчатых колес с малым расстоянием между венцами колес, а также шевронные колеса.

19 ШЛИФОВАНИЕ

Шлифованием называют процессы обработки заготовок резанием режущим инструментом, рабочая часть которого содержит частицы абразивного материала. Такой режущий инструмент именуют абразивным. Измельченный абразивный материал (абразивные зерна), твердость которого превышает твердость обрабатываемого материала и который способен в измельченном состоянии осуществлять обработку резанием, называют шлифовальным.

В зависимости от вида используемого шлифовального материала различают алмазные, эльборовые, электрокорундовые, карбидкремниевые и другие абразивные инструменты (шлифовальные круги).

Абразивные зерна расположены в круге беспорядочно и удерживаются связующим материалом. При вращательном движении круга в зоне его контакта с заготовкой часть зерен срезает материал в виде очень большого количества тонких стружек (до 100000000 шт./мин). Шлифовальные круги срезают стружки на очень больших скоростях - от 30 м/с и выше (порядка 125 м/с). Процесс резания каждым зерном осуществляется почти мгновенно. Обработанная поверхность представляет собой совокупность микроследов абразивных зерен и имеет малую шероховатость. Часть зерен ориентирована так, что резать не может. Такие зерна проводят работу трения о поверхность резания. Абразивные зерна могут также оказывать на заготовку существенное силовое воздействие. Происходит поверхностное пластическое деформирование материала, искажение его кристаллической решетки. Деформирующая сила вызывает сдвиг одного слоя атомов относительно другого. Вследствие упругопластического деформирования материала обработанная поверхность упрочняется. Но этот эффект оказывается менее ощутимым, чем при обработке металлическим инструментом. Тепловое и силовое воздействия на обработанную поверхность приводят к структурным превращениям, изменениям физико-механических свойств поверхностных слоев обрабатываемого материала. Так образуется дефектный поверхностный слой детали. Для уменьшения теплового воздействия процесс шлифования проводят при обильной подаче смазочно-охлаждающих жидкостей.

Шлифование применяют для чистовой и отделочной обработки деталей с высокой точностью. Для заготовок из закаленных сталей шлифование является одним из наиболее распространенных методов формообразования. С развитием малоотходных технологий доля обработки металлическим инструментом будет уменьшаться, а абразивным - увеличиваться.

Для формообразования любой поверхности методом шлифования необходимы вращательное движение круга и относительное перемещение по одной из координатных осей. Перемещения вдоль осей могут быть заменены вращательным движением вокруг оси.

Основные элементы режима резания - скорость главного движения резания, подача и глубина резания.

Шлифование является наиболее распространенным методом уменьшения шероховатости поверхностей.

Формы деталей современных машин представляют собой сочетание наружных и внутренних плоских, круговых цилиндрических и круговых конических поверхностей. Другие поверхности встречаются реже.

Для всех технологических способов шлифовальной обработки главным движением резания является вращение круга.

В автоматизированных шлифовальных станках цикл работы станка включает в себя периодический вывод круга из зоны шлифования, его автоматическую правку и перемещение круга к изделию на величину снятого при правке слоя абразива. Предусматривают также автоматическую установку заготовок в зажимные устройства и удаление готовых деталей.

Зерна абразивных инструментов представляют собой искусственные или природные минералы и кристаллы. Зерна абразивов разделяют по крупности на группы и номера.

Основная характеристика номера зернистости - количество и крупность его основной фракции. Вещество или совокупность веществ, применяемых для закрепления зерен шлифовального материала и наполнителя в абразивном инструменте, называют связкой. Наполнитель в связке предназначен для придания инструменту необходимых физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств. При изготовлении инструмента зерна скрепляют друг с другом с помощью цементирующего вещества - связки. Наиболее широко применяют инструменты, изготовленные на керамической, бакелитовой или вулканитовой связке.

20 ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ

литье сварка конструкционный материал

При обработке материалов резанием различают две группы режущих инструментов. К первой группе можно отнести лезвийные инструменты, которые, будучи выполнены из металлического или другого твердого материала, имеют режущие лезвия. К таким инструментам относятся резцы, фрезы, сверла, протяжки и др. Как правило, использование подобных инструментов характерно для обработки материалов, не обладающих высокой твердостью, которая, однако, обеспечивается предварительной термической обработкой. К группе оборудования, где используются лезвийные инструменты, предъявляются повышенные требования по точности, виброустойчивости и возникновению малых упругих перемещений элементов (суппорты, шпиндели) при существенных силовых нагрузках (жесткость оборудования).

Детали, функционирующие в составе машины, во многих случаях требуют создания на поверхности или в объеме всей детали специальных свойств, среди которых на первом месте находится показатель твердости. Заданную твердость получают чаще всего методами термической, химико-термической обработки и другими методами. При этом поверхности заготовок приобретают такую твердость, что их нельзя обработать лезвийным инструментом: твердость заготовок оказывается близкой к твердости режущего инструмента. В этих случаях используют абразивные инструменты.

Они образуют вторую группу инструментов и представляют собой зернистый материал, выполненный в виде твердых природных или искусственных порошков, связанных с помощью массы, называемой связкой.

К группе оборудования, использующего абразивные инструменты, предъявляются повышенные требования по точности, теплоотводу, виброустойчивости и др. В этом случае обрабатываемые заготовки перед термообработкой проходят механическую обработку для снятия больших слоев материала с заготовки. Обработка же абразивным инструментом характеризуется сравнительно малыми толщинами снимаемого материала.

Абразивный инструмент применяют для шлифования, хонингования и др. При проведении шлифовальных технологических операций особо заботятся о такой установке и таком закреплении заготовки, при которых упругие перемещения под действием сил резания были бы минимальны или могли бы не приниматься в расчет.

В ходе обработки абразивными инструментами в зоне резания, как правило, выделяется очень большое количество теплоты, что может приводить к возникновению фазовых превращений, особенно при обработке заготовок из сталей различных марок. Этому же способствует наличие смазывающе-охлаждающей среды (чаще всего жидкостей), используемой для охлаждения зоны резания. При этом могут возникнуть зоны, как с пониженной твердостью поверхностного слоя, так и с повышенной. Похожие структуры называют пятнистыми.

Оборудование при шлифовании устанавливают на специальные фундаменты, массы которых предварительно определяют по специальным методикам. При отдельных видах абразивной обработки оборудование размещают в термостатированном помещении с жестко регламентируемым режимом среднегодового колебания цеховой температуры. В настоящее время большинство токарных станков оснащается системами ЧПУ. Токарные станки с ЧПУ классифицируют по нескольким признакам:

- по технологическому назначению и типам обрабатываемых заготовок - на центровые, патронные, патронно-центровые, карусельные, прутковые;

- по расположению направляющих станины - на горизонтальные, вертикальные и наклонные;

- по способам закрепления используемых инструментов - на суппорте, в револьверной головке, в инструментальном магазине;

- по положению оси вращения шпинделя - на горизонтальные и вертикальные.

В конструкциях токарных станков с ЧПУ используют четырех - двенадцати - позиционные револьверные головки. В каждой позиции головки можно устанавливать по два инструмента для параллельной обработки наружной и внутренней поверхностей заготовки. Инструментальные магазины (вместимостью по 8-20 инструментов) в токарных станках с ЧПУ используют редко, так как практически для обработки одной заготовки не требуется более 6-10 инструментов.

Использование инструментальных магазинов с большим числом инструментов целесообразно при встраивании станков в гибкие производственные модули, роботизированные технологические комплексы, а также в случаях, когда режущие инструменты имеют небольшие периоды стойкости.

21 ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Развитие промышленности, особенно в последней четверти XX века и в наше время, характеризуется резким ужесточением требований к основным параметрам техники. При этом скорость ужесточения постоянно увеличивается. Если на решение определенной технической проблемы раньше тратились десятилетия, то теперь сама жизнь отводит на это всего несколько лет. Так появились новые конструкции авиакосмической техники, некоторые транспортные машины, технологическое оборудование и пр.

В свою очередь, новая техника требует использования принципиально новых материалов, сплавов, конструктивных решений и пр. Вся эта обстановка, характерная для развития мировой техники, определяет создание и эффективное использование новой техники.

Естественно, что развитие технологии конструкционных материалов вызвало к жизни принципиально новые методы обработки заготовок и изготовления деталей. В первую очередь это относится к электрофизическим и электрохимическим методам, когда на смену режущему инструменту и металлорежущему оборудованию приходят электрическая искра, электрическое поле, электромагнитные колебания и пр., а также специальное оборудование, использующее идеи автоматизации. Аналогично в качестве инструмента выступают и химические вещества.

Следует считать, что указанные методы будут весьма интенсивно развиваться и в будущем. Этому способствует ряд положительных моментов в оценке технологической сущности явлений. Во многих случаях обработка происходит при действии электрического тока. Управление процессом осуществляется также с применением тока. Поэтому не нужны преобразователи управляющих сигналов в механическую энергию, используемую при резании. В то же время отсутствие механического воздействия инструмента на заготовку не вызывает упругого деформирования последней и, следовательно, не влияет на точность обработки.

Увеличение интенсивности удаления материала при обработке не имеет обратной зависимости от стойкости инструмента, как при резании. Такое увеличение практически не сказывается на стабильности работы оборудования. Рассматриваемые методы обработки способны обеспечить весьма малую шероховатость поверхности, а при необходимости - достаточно просто создать поверхность детали с заданной для условий эксплуатации шероховатостью.

Тепловыделение при использовании электрофизических и электрохимических методов оказывается малым и не приводит к фазовым превращениям в поверхностных слоях заготовок и деталей. При этом отсутствуют тепловые деформации всей детали, что способствует существенному повышению ее точности.

Данные методы могут оказаться единственными при обработке твердых и сверхтвердых материалов, которые могут, вместе с тем, легко обрабатываться, как например, малоуглеродистые стали.

Существенным достоинством является возможность обработки фасонных поверхностей без использования сложных кинематических зависимостей, что было бы необходимо при применении методов резания.

Однако рассматриваемые методы весьма энергоемки. Для удаления определенного объема материала в случае их использования затраты электроэнергии оказываются в десятки или сотни раз больше, чем при удалении того же объема традиционными методами. Поэтому отдают предпочтение электрофизическим и электрохимическим методам в тех случаях, когда обработка резанием затруднительна или невозможна.

22 ОБОРУДОВАНИЕ, РЕЖИМЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ, ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

Обработка заготовок данным методом основана на использовании электрических импульсов. Различают несколько разновидностей электроимпульсной обработки:

- электроискровую короткими импульсами;

- электроимпульсную длинными импульсами;

- импульсами, возникающими в межэлектродном пространстве;

- электроконтактную в жидкой и газообразной средах (для упрочнения и легирования поверхностей).

Энергия в зону резания подводится генератором импульсов ГИ. Инструменты выполняют в виде электрода.

При сближении электрода - инструмента (Э-И) и электрода-заготовки (Э-3) на расстояние в несколько микрометров (10... 50 мкм) между микровыступами Э-И и Э-3 возникает электрический разряд и образуется канал проводимости. В этом канале от катода к аноду движется поток электронов.

В зоне воздействия тока находятся и более тяжелые частицы - ионы. Они движутся навстречу потоку электронов. Однако электроны быстрее достигают поверхности анода. Поэтому энергия электрического разряда смещается ближе к поверхности заготовки. При этом температура разряда достигает 10000... 12000°С, что приводит не только к мгновенному оплавлению, но и к частичному испарению малых единичных объемов обрабатываемого материала.

Высокая температура и кратковременность процесса позволяют считать, что в ряде зон заготовки происходят процессы, аналогичные взрыву. Оплавившиеся частицы процесса выбрасываются из зоны резания. Они имеют форму шариков малой величины (0,01... 0,005 мм).

Обрабатываемая поверхность заготовки постоянно изменяется по расположению микровыступов, размеров, формы. В меньшей степени это происходит и на поверхности катода. Поэтому следующий разряд произойдет в том месте, где расстояние между заготовкой и инструментом окажется наименьшим. Аналогичное рассуждение следует отнести к третьему, четвертому и последующим импульсам. В итоге оказывается обработанной вся поверхность анода, т.е. заготовки.

Важнейшим элементом оборудования является следящая система, которая постоянно перемещает Э-И, но так, чтобы межэлектродный зазор имел необходимую величину. Сближение идет автоматически. Обработанная поверхность заготовки отличается специфической формой, а глубина и размеры лунок определяют шероховатость поверхности. При обработке изменяются также и физические показатели поверхностного слоя: твердость, напряжения (которые иногда приводят к образованию трещин), химический состав.

Вопрос о том, что следует на практике делать катодом, а что анодом, принципиален. При малой длительности импульсов (5... 200 мкс) поверхности катода достигает лишь малая доля ионов. Поэтому поверхность катода подвергается эрозионному разрушению значительно меньше, чем поверхность анода. В этом случае анодом делают заготовку, а катодом инструмент. Такую полярность называют прямой.

При большей длительности импульсов (2 * 10²... 10⁵ мкс) уже большее количество ионов успевает достичь поверхности катода. Они обладают большей энергией по сравнению с потоком электронов. Поэтому возникает повышенная эрозия катода. В этом случае обработку проводят при обратной полярности: инструмент является анодом, а заготовка - катодом.

Широко распространен электроискровой процесс обработки. Он использует прямую полярность. Генератор импульсов обеспечивает длительность импульсов 20... 200 мкс. Энергия импульса регулируется подбором емкости конденсаторов. Данный процесс управления энергией оказался очень удобным на практике.

Если, например, в импульсе сравнительно большое количество энергии, проводят предварительную обработку. Такую же обработку можно вести на средних режимах, мягкие и особо мягкие режимы используют для отделочной обработки. Эти режимы позволяют получать детали с точностью до 0,002 мм и шероховатостью до = 0,63... 0,16 мкм.

Процесс обработки заготовки ведут в жидких средах, которые представляют собой диэлектрические жидкости. Они существенно уменьшают нагрев заготовки, инструмента и продуктов разрушения.

Форма Э-И должна соответствовать форме обрабатываемого профиля на детали. Инструменты изготовляют из меди, латуни, медно-графитовых сплавов, инструменты - на специальном оборудовании.

Для обработки заготовок электроискровым методом пригодны все токопроводящие материалы, хотя производительность обработки оказывается различной. Однако при этом эффективность применения метода весьма высока, поскольку на одном и том же оборудовании можно обрабатывать и твердые сплавы, и цветные металлы. Зависимость интенсивности эрозии от свойств металлов называют электроэрозионной обрабатываемостью. Если принять электроэрозионную обрабатываемость стали за единицу, то для других металлов ее можно представить в следующих соотношениях: твердые сплавы -0,5; титан - 0,6; никель - 0,8; медь - 1,1; латунь - 1,6; алюминий - 4,0; магний - 6.

Весьма целесообразно электроискровым методом обрабатывать твердые сплавы, труднообрабатываемые металлы и сплавы, тантал, молибден и др. Весьма целесообразна электроискровая обработка для деталей штампов, прежде всего объемных.

К достоинствам электроискрового метода относится возможность его использования для упрочнения поверхностей деталей и режущего инструмента. В этом случае на поверхность наносят слой другого материала - сплава с заданными свойствами или композита. При этом большую роль играет экономическая сторона дела. Так, например, можно саму деталь изготовлять из сравнительно дешевого материала, а поверхность этой детали, подвергающуюся трению, покрыть износостойким составом, что обеспечивает общую долговечность конструкции.

Электроимпульсная обработка основана на действии импульсов большой длительности (2 10²... 10⁵ мкс). В этом случае генераторы вырабатывают импульсы большой мощности, что, в свою очередь, увеличивает производительность обработки. В ходе такой обработки удается уменьшить износ электродов. Это обеспечивается путем использования особых генераторов и графитовых электродов.

Электроимпульсная обработка применяется на начальных этапах изготовления штампов, турбинных лопаток, труднообрабатываемых материалов с фасонными отверстиями, а также изделий из твердых сплавов и др. Этот метод используют в специальных станках с программным управлением. Наиболее характерными для данного метода являются детали, сочетающие высокую точность и сложные формы.

Этому, в частности, способствует наличие в управляющих системах таких устройств, которые могут осуществлять своеобразную самодиагностику проводимого технологического процесса.

Последнее сводится к тому, что в ходе обработки из зоны формообразования постоянно поступает информация, позволяющая своевременно корректировать подачу инструмента и глубину резания.

Электродвигатель вращает импульсный генератор, дающий постоянный ток. И-Э с заданными параметрами перемещается, создавая в заготовке, помещенной в ванну соответствующую полость.

Одним из важнейших технологических преимуществ процесса является возможность с помощью соответствующих коррекций выполнять сложные формы элементов деталей (в частности, полости) Э-И сравнительно простой формы. Высокочастотная электроискровая обработка применяется как финишная после обработки заготовок электроэрозионными методами. Такая обработка проводится при частоте электрических импульсов 100... 150 кГц. Метод обеспечивает повышенную точность формы и размера деталей и способствует уменьшению шероховатости.

При высокочастотной электроискровой обработке конденсатор разряжается при замыкании первичной цепи импульсного трансформатора прерывателем тока, вакуумной лампой или тиратроном. Метод обладает рядом неоспоримых преимуществ, главными из которых являются увеличение производительности (в 30-50 раз выше, чем при электроискровом методе), повышение точности и существенное уменьшение шероховатости. Этот метод успешно используют при обработке твердых сплавов, поскольку он практически не вызывает трещин на поверхности изделий.

В основе электрохимических методов лежит анодное растворение материалов. Оно происходит под действием электрического тока. Анодом является заготовка, помещенная в электролит, подаваемый в зону обработки. На поверхности заготовки возникает химическое соединение, которое может переходить в электролит либо удаляться и механическим путем. Интенсивность съема материала зависит от свойств заготовки и плотности электрического тока.

Электрохимическое полирование - весьма распространенный метод для финишной обработки особенно сложных внутренних полостей деталей заготовку помещают в ванну с электролитом. Она является анодом. Электролитом служит раствор кислот или щелочей. В качестве катода применяют пластины из меди, свинца или стали. Электролит не только постоянно освежается в ванне, но и подогревается до температуры 4О...8О°С.

Шероховатость поверхности заготовки играет важную роль при анодном растворении. Прежде всего, растворяются вершины микровыступов поскольку на них приходится наибольшая плотность тока. Благодаря этому сглаживание поверхности происходит избирательно и производительно. Более того, продукты анодного растворения размещаются во впадинах между микровыступами и являются сопротивлениями для растворения микровпадин. Для получения заданной шероховатости определяют площадь обрабатываемой поверхности и по графикам находят необходимую плотность тока, а затем ток, который задают на установке.

В промышленности успешно применяют и электрохимическую размерную обработку. Электролит представляет собой струю жидкости, которая поступает через зазор, образуемый анодом-заготовкой и катодом-инструментом. Струя подается насосом под давлением и не только растворяет поверхность анода, но и транспортирует отходы из зоны обработки. При такой обработке используют метод копирования, так как на заготовке отражаются все особенности инструмента. Те же части инструмента, которые не должны копироваться, изолируют.

Напряжение на заготовку и инструмент подается импульсами, поскольку при этом существенно повышается точность обработки. Она также увеличивается при уменьшении зазора между электродами.

Несмотря на то, что с поверхности анода (заготовки) постоянно удаляется слой материала, рабочий зазор практически не изменяется. Этому способствует специальная следящая система, которая встроена в установку для размерной обработки. Такое оборудование применяют, прежде всего, для изготовления изделий из труднообрабатываемых резанием материалов и специальных сплавов. Еще одна особенность данного метода состоит в отсутствии давления инструмента на заготовку в ходе обработки. Поэтому точностная обработка может быть отнесена к маложестким, тонкостенным деталям. В числе достоинств метода - относительная дешевизна электролитов, которыми являются растворы NaCl, NaNO₃ и Na₂SO₄.

Ультразвуковой вид обработки основан на удалении обрабатываемого материала с помощью абразивного порошка, каждое зерно которого совершает колебательные движения с ультразвуковой частотой. В своих движениях зерна абразива оказывают ударное действие на обрабатываемый материал, удаляя его в малых объемах. В массовом движении зерен возможна обработка сравнительно больших зон заготовок. Источниками движения абразивной среды являются генераторы, позволяющие совершать движения зерен с частотой 16... 30 кГц.

Основу генераторов составляют сердечники, выполненные из магнитострикционного материала. Такой материал может изменять свои размеры, например длину, в тот момент, когда изменяется направление тока в катушке, сердечником которой является инструмент. Эффектом магнитострикции обладают никель, железоникелевые и железоалюминиевые сплавы, ферриты.

Если в катушке установки изменять направление тока с ультразвуковой частотой, то с такой же частотой будет изменяться длина сердечника и с такой же частотой он будет посылать примыкающие к нему абразивные зерна на обрабатываемую поверхность. Переменный ток соответствующей частоты вырабатывают специальные генераторы.

Важным условием работы ультразвуковых установок является практическое установление момента совпадения частоты тока и частоты собственных колебаний сердечника. При этом амплитуда колебаний сердечника достигает 2... 10 мкм. Если на сердечнике закрепить специальный резонансный волновод, то амплитуда колебаний увеличится до 40... 60 мкм. В свою очередь, к волноводу крепят пуансон, который является рабочим инструментом. Между торцами инструмента и заготовкой образуют зазор, который заполняют абразивной суспензией, состоящей из порошка и воды. Суспензия подается в зону обработки поливом или под давлением.

Порошок состоит из карбида бора, или карбида кремния, или электрокорунда. Однако наилучшие результаты дает карбид бора. Инструмент и заготовку слегка поджимают силой, не превосходящей 60 Н.

Заготовку помещают в ванну под инструментом. Инструмент устанавливают на волноводе закрепленном на магнитострикционном сердечнике. Последний смонтирован в кожухе, сквозь который подают воду для охлаждения сердечника. Для возбуждения колебаний сердечника служат генератор ультразвуковой частоты и источник постоянного тока. Абразивную суспензию подают под давлением по патрубку насосом, забирающим суспензию из резервуара.

Такая схема способствует равномерному распределению абразива по всему объему суспензии, в частности предотвращает его оседание на дно ванны. Явления кавитации обеспечивают интенсификацию съема материала в зоне обработки. Они способствуют активному перемешиванию всего объема суспензии в рабочем зазоре.

Для ультразвуковой обработки характерен очень широкий спектр обрабатываемых материалов. Так, обработке подвергают стекло, керамику, ферриты, кремний, кварц, драгоценные минералы, включая алмаз, твердые сплавы, вольфрам и др.

Метод активно используют для получения сложных наружных и внутренних поверхностей, гравирования (особенно на твердых и хрупких поверхностях) и другой обработки.

Успешно обрабатывают отверстия любой формы поперечного сечения, причем такие отверстия могут быть и сквозными, и глухими. Могут быть изготовлены фасонные полости любой формы. Материалом инструментов служат закаленные стали, но обладающие заданной вязкостью.

Точность, получаемая при ультразвуковой обработке, равно как и шероховатость поверхностей, зависит от зернистости используемого абразива. Можно считать, что метод дает шероховатость, соответствующую методу шлифования.

Ультразвуковые колебания оказались полезны для расширения технологических возможностей различных методов обработки. Так, колебания, придаваемые резцам вдоль направления главного движения с амплитудой 2... 5 мкм, существенно облегчают процесс стружкообразования. Соответствующие колебания позволяют совершенствовать процесс фрезерования. К настоящему времени сложилось гак, что труднообрабатываемые резанием материалы успешно применяют в ответственных конструкциях, поскольку полностью сняты ограничения по производительности, стойкости инструментов, оборудованию и другим параметрам производства. Все это стало возможно из-за применения ультразвукового метода обработки.

23 ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

К этим методам относят лазерную и электронно-лучевую обработку. Лазерная (светолучевая) обработка материалов основана на тепловом воздействии светового луча очень высокой энергии на обрабатываемую поверхность. Источником излучения служит оптический квантовый генератор. Он выдает энергию порциями и сравнительно малой мощности (примерно 20... 100 Дж). Однако энергия выделяется в миллионные доли секунды и сосредотачивается на очень малой площади - пятне диаметром около 0,01 мм. В фокусе луча диаметр пятна оценивается несколькими микрометрами, что позволяет достичь температуры на поверхности заготовки в 6000...8000°С. В результате такого воздействия поверхностный слой в малом объеме не только расплавляется, но и испаряется. В современных лазерах достигается рекордный уровень концентрации энергии, и развитие светолучевой обработки происходит весьма интенсивно.

Лазеры разделяют на твердотельные и газовые, в которых используют диоксид углерода СО₂. По сравнению с твердотельными СО₂ лазеры обладают существенно большей мощностью. Такие лазеры наиболее широко распространены в промышленности.

Важнейшим элементом лазерной установки является оптическая система, которая позволяет фокусировать излучение и управлять процессом обработки. Система состоит из сферических и плоских зеркал. Геометрические параметры обрабатываемой поверхности зависят от фокусных расстояний, мощности излучения и свойств обрабатываемого материала. Лазерную обработку проводят для получения сквозных и глухих отверстий, как в токопроводящих так и в нетокопроводящих материалах, разрезания заготовок, прорезания щелей и пазов, особенно в тех случаях, когда обычная обработка резанием невозможна. Этим методом изготавливают, например, отверстия в алмазных, вольфрамовых заготовках и др. Этим методом выполняют различные отверстия, имеющие криволинейные очертания.

Электронно-лучевая обработка основана на превращении кинетической энергии направленного пучка электронов в тепловую. Луч несет такую энергию, что ее достаточно для расплавления и испарения зоны на поверхности заготовки. Такой метод применяется в тех случаях, когда необходимо сконцентрировать энергию на небольшом участке или управлять технологическим процессом с помощью луча. Если данный процесс связан с использованием легкоокисляющихся материалов заготовок, то последние обрабатывают в вакуумных емкостях без нагрева всей заготовки.

Метод оказывается перспективным при изготовлении малых отверстий, щелей, канавок и пр. в труднообрабатываемых материалах заготовок с тонкостенными и множественными элементами. Его применение вполне оправдано при обработке драгоценных минералов и керамики.

24 МЕТОДЫ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ

Дальнейшее развитие машиностроения связано с увеличением нагрузок детали машин, повышением скоростей движения, уменьшением массы конструкции. Выполнить эти требования можно при достижении особых качеств поверхностных слоев деталей. А значит, требуется дополнительная отделочная обработка для повышения точности, уменьшения шероховатости поверхностей или придания им особого вида, что важно для эстетических или санитарно-гигиенических целей.

Влияние качества поверхностных слоев на эксплуатационные свойства огромно. При сравнительно небольших толщинах этих слоев, часто оцениваемых десятыми долями миллиметра и формируемых в ходе соответствующих методов обработки, решающим образом изменяются износо- и коррозионная стойкость, контактная жесткость деталей, плотность соединений, отражательная способность, сопротивление обтеканию поверхностей газами и жидкостями, прочность соединений и другие свойства.

Велика роль отделочной обработки в повышении надежности работы деталей машин. Для отделочных методов обработки характерны малые силы резания, небольшие толщины срезаемых слоев материала, незначительное тепловыделение. Поэтому заготовки деформируются мало.

Все эти технологические особенности способствуют развитию и широкому применению методов отделочной обработки. В дальнейшем будет снижаться доля обработки резанием со снятием большого количества стружки и повышаться доля отделочных методов обработки, так как заготовки все больше будут приближаться к форме готовых деталей

Отделочную обработку проводят для того, что бы повысить точность и уменьшить шероховатость поверхностей или чтобы придать им особый вид, исходя из эстетических или санитарно-гигиенических соображений. Для отделочных методов характерны малые силы резания, небольшая толщина срезаемых слоев материала, незначительное тепловыделение. Обработку производят с приложением относительно малых по величине сил закрепления заготовок, поэтому заготовки деформируются незначительно.

25 ШЛИФОВАНИЕ, ХОНИНГОВАНИЕ, ПОЛИРОВАНИЕ, СУПЕРФИНИШ, ПОВЕРХНОСТНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ

Шлифование является наиболее распространенным методом уменьшения шероховатости поверхностей. Шлифованием называют процессы обработки заготовок резанием режущим инструментом, рабочая часть которого содержит частицы абразивного материала. Такой режущий инструмент именуют абразивным. Измельченный абразивный материал (абразивные зерна), твердость которого превышает твердость обрабатываемого материала и который способен в измельченном состоянии осуществлять обработку резанием, называют шлифовальным.

В зависимости от вида используемого шлифовального материала различают алмазные, эльборовые, электрокорундовые, карбидкремниевые и другие абразивные инструменты (шлифовальные круги).

Абразивные зерна расположены в круге беспорядочно и удерживаются связующим материалом. При вращательном движении круга в зоне его контакта с заготовкой часть зерен срезает материал в виде очень большого количества тонких стружек (до 100000000 шт./мин). Шлифовальные круги срезают стружки на очень больших скоростях - от 30 м/с и выше (порядка 125 м/с). Процесс резания каждым зерном осуществляется почти мгновенно. Обработанная поверхность представляет собой совокупность микроследов абразивных зерен и имеет малую шероховатость. Часть зерен ориентирована так, что резать не может. Такие зерна проводят работу трения о поверхность резания.

Абразивные зерна могут также оказывать на заготовку существенное силовое воздействие. Происходит поверхностное пластическое деформирование материала, искажение его кристаллической решетки. Деформирующая сила вызывает сдвиг одного слоя атомов относительно другого. Вследствие упругопластического деформирования материала обработанная поверхность упрочняется. Но этот эффект оказывается менее ощутимым, чем при обработке металлическим инструментом.

Тепловое и силовое воздействия на обработанную поверхность приводят к структурным превращениям, изменениям физико-механических свойств поверхностных слоев обрабатываемого материала. Так образуется дефектный поверхностный слой детали. Для уменьшения теплового воздействия процесс шлифования проводят при обильной подаче смазочно-охлаждающих жидкостей.

Шлифование применяют для чистовой и отделочной обработки деталей с высокой точностью. Для заготовок из закаленных сталей шлифование является одним из наиболее распространенных методов формообразования. С развитием малоотходных технологий доля обработки металлическим инструментом будет уменьшаться, а абразивным - увеличиваться.

Формы деталей современных машин представляют собой сочетание наружных и внутренних плоских, круговых цилиндрических и круговых конических поверхностей. Другие поверхности встречаются реже. В соответствии с формами деталей машин наиболее распространены различные схемы шлифования.

Для всех технологических способов шлифовальной обработки главным движением резания является вращение круга.

В автоматизированных шлифовальных станках цикл работы станка включает в себя периодический вывод круга из зоны шлифования, его автоматическую правку и перемещение круга к изделию на величину снятого при правке слоя абразива. Предусматривают также автоматическую установку заготовок в зажимные устройства и удаление готовых деталей.

Абразивные инструменты различают по геометрической форме и размерам, роду и сорту абразивного материала, зернистости или размерам абразивных зерен, связке или виду связующего вещества, твердости, структуре или строению круга.

Зерна абразивных инструментов представляют собой искусственные или природные минералы и кристаллы. Абразивные материалы отличаются высокой твердостью, которая определяется по минералогической шкале. Зерна абразивов разделяют по крупности на группы и номера.

Основная характеристика номера зернистости - количество и крупность его основной фракции. Вещество или совокупность веществ, применяемых для закрепления зерен шлифовального материала и наполнителя в абразивном инструменте, называют связкой. Наполнитель в связке предназначен для придания инструменту необходимых физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств.

При изготовлении инструмента зерна скрепляют друг с другом с помощью цементирующего вещества - связки. Наиболее широко применяют инструменты, изготовленные на керамической, бакелитовой или вулканитовой связке.

Тонкое шлифование выполняют мягким, мелкозернистым кругом при больших скоростях главного движения резания (v = 40 м/с) и весьма малой глубине резания. Шлифование сопровождается обильной подачей охлаждающей жидкости. Особую роль играет жесткость станков, способных обеспечить безвибрационную работу.

Для тонкого шлифования характерен процесс "выхаживания". По окончании обработки, например, вала движение подачи на глубину резания выключается, а движение продольной подачи не выключается. Процесс обработки, тем не менее, продолжается благодаря упругим силам, возникающим в станке и заготовке. Указанными методами проводят обработку наплавленных поверхностей, размеры которых восстанавливают наплавкой после изнашивания. Метод обработки выбирают в зависимости от твердости наплавленного метериала.

Полирование заготовок применяют для уменьшения шероховатости их поверхностей. С помощью этого метода можно получить либо высокую точность и зеркальный блеск ответственных частей деталей (дорожки качения подшипников), либо отделку поверхности для декоративных целей (облицовочные части автомобилей). Обработку производят полировальными пастами или абразивными зернами, смешанными со смазкой. Эти материалы наносят на быстровращающиеся эластичные круги или колеблющиеся щетки. Заготовка подводится к носителю пасты или абразива. Носитель перемещается так, чтобы поверхность во всех своих частях подвергалась обработке. При полировании фасонных поверхностей, как правило, заготовки перемещают вручную. Для полирования плоских, цилиндрических и конических поверхностей могут быть использованы полировальные станки.

Полировальные круги изготовляют из войлока, фетра, кожи, капрона, спрессованной ткани и других материалов. В качестве абразивного материала при полировании заготовок из стали применяют порошки из электрокорунда и оксида железа, при полировании заготовок из чугуна - из карбида кремния и оксида железа, а при полировании заготовок из алюминия и медных сплавов - из оксида хрома. Порошок смешивают со смазочным материалом, который состоит из смеси воска, сала, парафина и керосина. Пасты могут содержать мягкие абразивные материалы: крокус, оксид хрома, венскую известь.

В зоне полирования одновременно происходят следующие основные процессы: тонкое резание, пластическое деформирование поверхностного слоя, химические реакции - воздействие на металл химически активных веществ, находящихся в полировочной пасте.

Качество и эксплуатационные свойства полированной поверхности зависят от того, какой из указанных процессов преобладает. При полировании абразивной шкуркой вследствие подвижности ее режущих зерен они в процессе обработки не могут оставлять микроследы, сильно отличающиеся друг от друга по глубине. В ходе полирования происходит постепенный переход от резания к выглаживанию.

В процессе полирования заготовка поджимается к вращающемуся кругу с силой и совершает движения подачи в соответствии с профилем обрабатываемой поверхности. При полировании лентами площадь рабочей поверхности ленты значительно превышает площадь рабочей поверхности круга, благодаря чему происходит большое рассеяние теплоты. Эластичная лента может огибать всю шлифуемую поверхность, поэтому движения подачи могут отсутствовать. Применение алмазных лент существенно увеличивает производительность полирования. В зависимости от скорости перемещения заготовки выполняется ее черновая или чистовая обработка.

Главное движение при полировании может совершать и заготовка имеющая, например, форму кольца с фасонной внутренней поверхностью. Абразивная лента поджимается через полировальник к обрабатываемой поверхности и периодически перемещается. Полирование может проводиться в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

Хонингование применяют для того, чтобы получить отверстия с малыми отклонением размера и параметром шероховатости, а также для создания микропрофиля обработанной поверхности в виде сетки. Такой профиль необходим для удержания на стенках отверстия смазочного материала при работе машины, например двигателя внутреннего сгорания. Чаще всего обрабатывают сквозные и реже - ступенчатые отверстия, как правило, неподвижно закрепленных заготовок.

Поверхность заготовки обрабатывают мелкозернистыми абразивными брусками, которые закрепляют в хонинговальной головке - хоне, являющейся режущим инструментом. Инструмент вращается и одновременно возвратно-поступательно перемещается вдоль оси обрабатываемого отверстия. Отношение скоростей указанных движений составляет 1 -10 и определяет условия резания; скорость движения для заготовок из стали равна 45-60 м/мин, а из чугуна и бронзы - 60-75 м/мин.

Сочетание движений инструмента приводит к тому, что на обрабатываемой поверхности появляется сетка микроскопических винтовых царапин - следов перемещения абразивных зерен. Угол ? пересечения этих следов зависит от отношения скоростей, поэтому необходимый вид сетки на поверхности отверстия можно получать

Крайние нижнее и верхнее положения абразивных брусков устанавливают так, что создается перебег. Перебег необходим для того, чтобы образующие отверстия были прямолинейными и отверстие имело правильную геометрическую форму. Совершая вращательное движение, абразивные бруски при каждом двойном ходе начинают резание с нового положения хона с учетом смещения по шагу t, поэтому исключается наложение траекторий абразивных зерен.

Абразивные бруски всегда контактируют с обрабатываемой поверхностью, так как они раздвигаются в радиальных направлениях механическими, гидравлическими или пневматическими устройствами. Давление брусков следует контролировать. Минимальное давление получают при хонинговании с наложением ультразвуковых колебаний. В этом случае уменьшается засаливание брусков, так как частицы металла легче отделяются от абразивов.

Хонингованием исправляют такие отклонения формы предыдущей обработки, как овальность, конусность, отклонение от цилиндричности и др., если общая толщина снимаемого слоя не превосходит 0,01-0,2 мм. Отклонения расположения оси отверстия этим методом, как правило, не исправляют. Различают предварительное и чистовое хонингование. Предварительное хонингование используют для исправления погрешностей предыдущей обработки, а чистовое - для получения малой шероховатости поверхности.