Тема № 11 Технологічні процеси механічної обробки
План.
1. Загальні відомості про різання матеріалів: основні поняття та визначення.
2. Кінематичні та геометричні параметри процесу різання та інструмента. Стружкоутворення при різанні. Сили різання. Теплові явища, зношування та стійкість інструментів.
3. Основи технології обробки поверхонь тіл обертання.
3.1.Обробка деталей на токарних верстатах: обладнання, інструмент, нормування токарних операцій.
3.2.Обробка отворів осьовим інструментом: основні схеми, призначення і основні типи інструментів, рухи інструментів при обробці, нормування свердлувальних операцій.
4. Основи технології обробки плоских поверхонь. Фрези та процес фрезерування. Основні схеми фрезерування, типи фрез, нормування фрезерувальних операцій.
5. Абразивна обробка. Особливості процесу різання при абразивній обробці. Абразивний інструмент. Схеми різання при шліфуванні. Знос та стійкість шліфувального круга. Нормування шліфувальних операцій.
6. Основи технологій електрофізичних та електрохімічних методів обробки: Класифікація методів електрофізичної та електрохімічної обробки. Електроерозійна обробка. Ультразвукова, плазмова та лазерна обробка. Електрохімічне полірування.
11.1. Вступ до технології і устаткування для обробки матеріалів різанням
Рис.11.1 Поверхні заготовки і координатні площини токарного різця
Під час обробки на металорізальних верстатах з поверхні заготовки видаляється припуск, що перетворюється в стружку і отримуються деталь. Тобто система різання складається із стружки, заготовки і інструмента. Під час обробки в цій системі прийнято розглядати наступні поверхні (рис.11.1):
Оброблювану (1) – яка видаляється із заготовки з метою одержання деталі.
Оброблену (2) – яка з’являється на деталі після зняття припуску.
Поверхню різання (3) – перехідну поверхню, що утворюється різальними кромками інструмента і з’єднує дві перші.
Відстань між оброблюваною та обробленою поверхнями, що вимірюється по нормалі до останньої, називається глибиною різання.
Для реалізації процесу різання інструмент і заготовка (або хтось один із них) мають виконувати відповідні рухи:
Рух різання – необхідний для зрізання різальними кромками стружки із заготовки. Швидкість цього руху позначається буквою V, вимірюється в м/хв і називається швидкістю різання. Проте при наявності тільки одного руху різання зняття стружки припиниться після першого оберту деталі. Для продовження різання необхідний рух подачі.
Рис.11.2 Схема роботи багатозубого інструмента
Рух подачі необхідний для того, щоб процес різання продовжувався неперервно або періодично. Швидкість руху подачі позначається буквою S і називається просто – подачею.
В залежності від виду обробки різанням розрізняють декілька видів подач. Якщо рух подачі кінематично зв’язаний із рухом різання, частіше всього використовують величину подачі інструмента або заготовки на один оберт інструмента чи заготовки. Позначається вона S і вимірюється в мм/об. Якщо рух різання – зворотно-поступальний – використовується подача на один подвійний хід інструмента, для багатозубих інструментів (рис.11.2) розглядають подачу за час зміни одного зуба - подачу на один зуб , мм/зуб. У всіх перерахованих способів використовують поняття хвилинної подачі , як переміщення інструмента чи деталі за одну хвилину роботи, в мм/хв.
Три розглянуті параметри процесу різання: глибина, подача та швидкість різання складають, так названий, режим різання.
Крім робочих рухів при обробці різанням на верстатах існують рухи встановлення (установочні) та допоміжні.
Установочні - рухи робочих органів верстата, за допомогою яких інструмент займає по відношенню до заготовки положення, яке дозволяє знімати з заготовки шар матеріалу.
Допоміжні - рухи робочих органів верстата, які не мають прямого відношення до різання (швидкі переміщення інструменту, транспортування заготовки тощо).
11.2. Основні характеристики різального інструмента
Для того, що різальний інструмент міг зрізати стружку, його тіло має бути виконано із спеціального матеріалу, а робочі поверхні відповідним чином орієнтовані (загострені). Матеріали, із яких виготовляється інструмент, називаються інструментальними. До них відносяться:
Інструментальні сталі (вуглецеві, леговані, швидкорізальні), які відрізняються тим, що після загартування і відпуску мають високу твердість (HRC 62-65), міцність і теплостійкість (від 200С до 550С). Проте для швидкісної обробки така теплостійкість недостатня, оскільки температура в зоні різання сучасних процесів обробки досягає 1000С.
Тверді сплави, що є продуктом порошкової металургії, і складаються із твердих карбідів металів (WC, TiC, TaC), скріплених за допомогою зв’язки (Co, Ni, Mo). Тверді сплави марок ВК6, ВК8, Т15К6, Т5К10 та ін. характеризуються великою твердістю (HRA 90-93), дещо меншою, чим сталі міцністю і високою теплостійкістю, що досягає 800…850С).
Мінеральна кераміка, створена на основі окису алюмінію Al2O3 (біла кераміка) із добавкою карбідів металів (WC, TiC) (чорна кераміка). Промислові марки ВОК63, ВОК65, ВОК72 мають велику твердість (HRA 92-94), хімічну інертність до всіх сполук і дуже високу температуру теплостійкості, що досягає 900…1200С. Проте ці матеріали характеризуються підвищеною крихкістю і використовуються для чистової обробки твердих металів (загартованих сталей).
Надтверді матеріали – алмази і кубічний нітрид бору майже однакові за твердістю, але алмази не витримують високої температури (вище 700С), перетворюючись у графіт. Кубічний нітрид бору (ельбор, белбор, ісміт – об’єднані спільною назвою – композит) має критичну температуру, що досягає 1500С, інертний до всіх матеріалів, але досить крихкий. Тому алмази більше використовуються для тонкої обробки кольорових металів, значно м’якіших, чим сталі, а композити – для тонкої обробки сталей і чавунів.
Рис.11.3 Елементи різального леза токарного різця
Для створення в інструмента різального клина, що здатен знімати стружку, в ньому, шляхом загострення формують наступні поверхні (рис.11.3):
Передня поверхня , по якій сходить стружка;
Головна задня поверхня , що повернута в бік поверхні різання на заготовці;
Допоміжна задня поверхня , яка орієнтована в бік обробленої поверхні.
На перетині передньої поверхні з головною задньою поверхнею утворюється головна різальна кромка , а з допоміжною задньою поверхнею – допоміжна різальна кромка . Їх перетин утворює вершину інструмента 1 .
Положення поверхонь інструмента в просторі, яке визначає умови роботи інструмента, сили різання, температуру та ін. Воно характеризується кутами різальної частини. Ці кути розглядаються в системі координат, орієнтованій паралельно опорній і боковій поверхням різця, а також в січних площинах, що проходять перпендикулярно головній і допоміжній різальним кромкам інструмента.
Геометрія робочої частини різця будь-якого типу визначається в першу чергу кутами та ін. [ 1; 4]. Кути вимірюються в головній січній площині А-А (рис.11.4).
Рис.11.4 Геометричні параметри токарного різця
Передній кут - між дотичною до передньої поверхні леза і основною площиною. Передній кут характеризується абсолютною величиною і знаком. Якщо передній кут розміщується поза тілом інструмента, то він вважається додатним, якщо в тілі інструмента - від`ємним (див.рис.11.4). Головний задній кут - між дотичною до головної задньої поверхні леза і головною площиною різання перпендикулярною основній. Кут загострення - між передньою і задньою поверхнями, кут різання - між передньою поверхнею і головною площиною різання. В допоміжній січній площині A1-A1 (див.рис.11.4) вимірюється допоміжний задній кут 1 - між допоміжною задньою поверхнею і допоміжною площиною різання.
Кути в плані різця вимірюються в основній площині (див.рис.11.4). Головний кут в плані - між головною площиною різання і напрямом руху подачі. Допоміжний кут в плані 1 - між допоміжною площиною різання і напрямом руху подачі. Кут при вершині в плані - між вказаними площинами різання або між проекціями головної і допоміжної різальних кромок на основну площину. Вершина різця в плані може бути гострою, заокругленою (радіусною) або у вигляді фаски. Для заокругленої вершини задається її радіус .
Плоска передня поверхня різця в багатьох випадках різання не є оптимальною. Тому на передній поверхні виконують фаску шириною під кутом і додатково до цього передню поверхню інколи роблять криволінійною. Кут нахилу кромки вимірюється в площині різання між різальною кромкою і основною площиною (рис.11.4). Кут нахилу кромки вважається додатним, якщо вершина різця є найнижчою точкою різальної кромки; від'ємним - якщо вершина різця є найвищою точкою різальної кромки; рівним нулю, якщо різальна кромка розміщується паралельно основній площині.
Значення кутів робочої частини різця вибираються з урахуванням марки інструментального та оброблюваного матеріалів, виду і умов обробки та інших факторів. Задані значення кутів забезпечуються за допомогою загострювання інструмента або за рахунок певної установки різальної змінної багатогранної пластини відносно корпусу.
11.3. Основні явища, що супроводжують процес перетворення зрізуваного шару в стружку
Розглянемо тепер процес утворення стружки, як він був описаний І.А.Тімме. При втискуванні в оброблюваний матеріал передня поверхня інструмента (ППІ) діє на зрізуваний шар нормальною силою (рис.11.5). Оскільки стружка рухається по ППІ, то за законом тертя на неї діє сила тертя :
,
де - середній коефіцієнт тертя по передній поверхні.
Рис.11.5 Схема стружкоутворення з єдиною площиною зсуву
Рівнодіюча цих двох сил ( ) називається силою стружкоутворення, а її кут нахилу до вектора швидкості головного руху називається кутом дії - . Під дією цієї сили в зрізуваному шарі виникають нормальні та дотичні напруження (тертя) - . Останні досягають максимального значення в деякій площині, нахиленій під кутом приблизно рівним до напрямку дії . При продовженні руху напруження зростають до тих пір, поки не перевищать межу текучості на зсув оброблюваного матеріалу . Після цього по лінії m-n наступає зсув елемента зрізуваного шару і перехід його в стружку.
Рис.11.6 Форма стружки, утвореної за схемою із єдиною площиною зсуву
Площина m-n називається умовною площиною зсуву, а кут її нахилу до напрямку швидкості різання - кутом зсуву. Площина зсуву розділяє ще недеформовані об’єми зрізуваного шару від вже повністю деформованої стружки. В результаті послідовної реалізації таких зсувних процесів і одержується зазубрена стружка, показана на рис.11.6.
Велике розмаїття умов обробки приводить до того, що процеси пластичної деформації при різанні також проходять по різному. В результаті цього можуть бути одержані 4 типи стружок: зливна, суглобиста, елементна і надлому. Перші три з них одержуються в результаті деформації зсуву, а четверта - є результатом дії напружень розриву.
елементна стружка (рис.11.7,а) складається із окремих елементів 1, приблизно однакової довжини, не зв‘язаних між собою. Утворюється при обробці твердих і малов‘язких матеріалів з малою швидкістю різання.
Суглобиста стружка (див.рис.11.7,б) складається із частинок, міцно зв‘язаних між собою, які добре вирізняються зазублинами 1 на внутрішньому боці стружки. Прирізцева сторона стружки - гладенька. Суглобиста стружка одержується при різанні сталі та інших пластичних матеріалів з середніми швидкостями різання.
Зливна стружка (див.рис.11.7,в) представляє собою стрічку із гладкою блискучою прирізцевою стороною 1 і малопомітними зазублинами 2 на внутрішньому боці. Утворюється при різанні пластичних матеріалів (наприклад, сталі) з високою швидкістю різання. Як правило, ця стружка є небажаною з точки зору охорони праці і її транспортування із зони різання.
а) б)
в) г)
Рис.11.7 Типи стружок при різанні: а - елементна, б - суглобиста, в - зливна, г - надлому
Стружка надлому (див.рис.11.7,г) утворюється при різанні крихких матеріалів (чавуну, бронзи, кераміки) і складається із окремих малодеформованих елементів. Оброблена поверхня має форму нерегулярних виривів, оскільки кожен елемент відколюється вершиною різця. При цьому може утворюватись металевий пил.
Тип стружки залежить від оброблюваного матеріалу. При різанні пластичних матеріалів характерним є утворення всіх трьох типів стружок. Причому, при збільшенні твердості та міцності оброблюваного матеріалу зливна стружка переходить в суглобисту, а потім - в елементну. Для крихких матеріалів при підвищені НВ елементна стружка переходить в стружку надлому.
По мірі збільшення кутів і має місце трансформація стружки в зливну, а для крихких - в елементну.
При збільшені подачі проходить перетворення зливної стружки в стружку надлому.
Збільшення швидкості різання робить стружку більш зливною, але для деяких матеріалів (жароміцні та титанові сплави) має місце зворотне перетворення.
Найчастіше зустрічається при обробці зливна і суглобиста стружка, із яких сама небажана з точки зору техніки безпеки – зливна.
Рис.11.8 Розміри зрізуваного шару і стружки при різанні
Кут зсуву є однією із найважливіших характеристик процесу деформації. Його знання дозволяє визначити ступінь деформації зрізаного шару, температуру в зоні різання, сили різання та ін. На даний час достовірне визначення кута зсуву можливе лише експериментальним способом, через встановлення степені деформації зрізуваного шару – коефіцієнта усадки. Цей коефіцієнт представляє собою відношення розмірів зрізуваного шару , , до розмірів стружки , , , яка після деформації стає товстішою і коротшою (рис.11.8).
а) коефіцієнт поздовжньої усадки ;
б) коефіцієнт усадки по товщині ;
Тобто, чим більший коефіцієнт усадки, тим більшій деформації піддається зрізуваний шар в процесі обробки.
Природа виникнення сил різання та їх напрямок дії
При зрізанні припуску різальним лезом як на передню, так і на задню поверхні інструмента діють напруження, які можна з певним наближенням замінити сконцентрованими силами, прикладеними у відповідних місцях цих поверхонь (рис.11.9).
на передню поверхню діють: нормальна сила і сила тертя , які разом утворюють рівнодіючу силу передньої поверхні .
на контактну ділянку задньої поверхні діє нормальна сила пружної післядії . Ця сила викликає силу тертя ЗПІ по поверхні різання , яка разом із силою утворює рівнодіючу .
Рис.11.9 Схема дії сили різання та її складових
Рис.11.10 Напрямки дії сил різання
Співвідношення між силами і залежить від умов різання. Так для гострого інструмента складова практично не відрізняється від нуля.
Рівнодіюча сил на передній і задній поверхнях називається силою різання. Її напрямок дії та величина залежать від геометрії інструмента, режимів обробки і властивостей оброблюваного та інструментального матеріалів. Тому для практики використання переважно використовується не сама сила різання, а її складові на заздалегідь обумовлені напрямки (рис.11.9 і 11.10): - на напрямок швидкості різання , - на напрямок подачі і - на напрямок нормалі до перших двох (як правило, на напрямок нормалі до обробленої поверхні).
Оскільки сила , як правило, завжди більша за дві інші, її називають головною складовою сили різання або тангенційною складовою. При відомих трьох складових величина загальної сили різання буде дорівнювати:
Співвідношення між складовими силами різання змінюються при зміні умов обробки. Найбільше зростають складові сили різання при збільшенні глибини різання, слабкіше впливає подача, а ріст швидкості приводить до незначного зменшення сили різання. Зменшення кутів , і різця, ріст його зношування, збільшення міцності і твердості оброблюваного матеріалу супроводжується ростом сил різання, тоді як використання мастильно-охолоджувальних речовин їх зменшують.
Використання силових залежностей
Сила різання використовується для розрахунку потужності різання ( кВт), яка в подальшому є вихідним даним для проектних і перевірочних розрахунків на міцність та жорсткість деталей коробок швидкостей, корпусів, шпинделів м/р верстатів, а також корпусів та елементів кріплення металорізальних інструментів.
Сила різання - сила подачі, використовується для розрахунку механізму подач: коробок подач, ходових гвинтів, ходових валів, напрямних верстата; а також елементів, що визначають жорсткість кріплення інструмента.
Сила різання - сила віджиму інструмента від заготовки є причиною похибок обробки (бочкоподібність, конічність, корсетність тощо). За її величиною конструюються елементи і пристрої кріплення (тримачі, полозки напрямних, тощо).
11.5. Теплові явища при різанні
При різанні майже 99,5% енергії перетворюється у тепло. Тепло при різанні утворюється через (рис.11.11):
пружно-пластичні деформації та руйнування при зрізанні стружки Qд;
тертя стружки по передній поверхні інструмента Qтп;
тертя по задній поверхні інструмента Qтз.
Із всіх теплових джерел найбільш потужне – виділення тепла в зоні пластичної деформації (46…62%), на другому місці – джерело тертя на передній поверхні (38…33%) і найменша доля тепла вноситься за рахунок тертя по задній поверхні (особливо для гострого інструмента).
Рис.11.11 Схема розподілу теплових потоків при різанні
Все виділене тепло виноситься із зони різання стружкою Qс (60…70%), оброблюваною заготовкою – Qз (20…30%), відводиться через тіло інструмента – Qі (2…10%) і незначна частка – в навколишнє середовище Qнс. Рівняння теплового балансу зони різання включає всі ці складові:
Qд + Qтп.+ Qтз= Qс + Qз+ Qі+Qнс
Не дивлячись на те, що більша частина тепла поступає в стружку і заготовку, вони нагріваються менше, оскільки є рухомими тілами, а інструмент постійно знаходиться в зоні обробки. Тому тієї долі тепла, що він одержує, достатньо, щоб нагріти його до температур 600…1200С.
Температура в зоні різання залежить від співвідношення двох взаємопротилежних явищ: процесу виділення тепла (тобто збільшення роботи або потужності різання), який викликає ріст температури; та відводу тепла із зони обробки, що є фактором її зменшення. В залежності від того, який з цих процесів переважає при зміні будь-якого фактора процесу різання відбувається або ріст, або зменшення температури різання.
Збільшення міцності та твердості оброблюваного матеріалу, швидкості різання, подачі та, в меншій мірі, глибини призводить до збільшення потужності обробки та температури. Геометрія інструмента впливає двояко: з однієї сторони – зменшуючи силу різання, а з іншої – зменшуючи поперечний переріз тіла інструмента, через який тепло відводиться із зони обробки.
11.6. Зношування інструментів при різанні
11.6.1. Характер зношування поверхонь інструмента
У результаті високого тиску, температури і швидкості відносних переміщень контактні поверхні інструментів зношуються. Для всіх інструментів характерні наступні види зносу:
а) по задній поверхні (рис.11.12,а);
б) одночасно по задній і передній поверхні (рис.11.12,в).
Рис.11.12 Характер зношування різального інструмента
При звичайно застосовуваних швидкостях різання як правило зустрічаються обидва види зносу. Іноді при різанні інструментами із швидкорізальної сталі з температурами, вище зношується тільки передня поверхня (рис.11.12,б).
На задній поверхні інструмента утвориться фаска шириною (див.рис.11.12,а) Профіль її копіює форму поверхні різання в момент закінчення різання. Уздовж різальної кромки приблизно однакова (рис.11.12,г), але може мати 1 (на вершині) чи 2 максимуми. Другий тип характерний для обробки матеріалу зі зміцненою поверхневою кіркою.
Крім фаски , на передній поверхні утвориться лунка шириною і глибиною , розташована паралельно різальні кромці (див.рис.11.12,в). При низьких і середніх , коли є присутнім наріст лунка починається на відстані від краю. При великих наріст зникає і край лунки зливається із задньою поверхнею; тому лунка залишається частково.
Одним з видів зносу твердого сплаву є викришування і відкол різальної кромки. Викришування є відділення частинок РІ менших контактної ділянки по ППІ, сколювання – співрозмірних та більших контактної ділянки.
11.6.2. Залежність виду зносу від умов різання
При обробці пластичних матеріалів знос відбувається за першим і другим (частіше) видом. Якщо обробляються крихкі матеріали - по задній поверхні. і впливають на вид зношування приблизно однаково. При малих і - зношується переважно задня поверхня (чистові режими). Зі збільшенням і зростає знос по передній поверхні і стає переважаючим.
Менший вплив на характер зносу чинять і МОР. При збільшенні і застосуванні МОР зона переходу зносу на передню поверхню зміщається до більших швидкостей.
11.6.3. Характер зміни зносу за період експлуатації інструмента
Рис.11.13 Крива зношування різального інструмента
Графіки, що показують закономірність зміни розмірів фаски зношування ( ) чи лунки за час різання називають кривими зносу. Якщо відбувається одночасний знос по передній і задній поверхнях, то крива зносу складається з 3-х ділянок (рис.11.13): I – припрацювання, II – нормального зносу, III – катастрофічного зносу. Довжина II-ї ділянки займає 85…90% усього періоду експлуатації. Звичайно робота інструмента закінчується раніш початку 3-ї ділянки.
Як правило, при експлуатації інструмента завжди призначається така величина зносу [ ], по досягненню якої інструмент направляють на переточування. Вона називається критерієм зносу. Під критерієм зносу розуміють суму ознак (чи одну ознаку), при досягненні або появі яких робота інструментом повинна бути припинена. Час роботи інструмента до досягнення критерію зносу називають періодом стійкості – Т. Існує 2 критерії зношування – оптимального зносу і технологічні критерії.
Критерій оптимального зносу [ ]о – такий знос, при якому сумарний період стійкості інструмента з урахуванням переточувань досягає максимуму. [ ]о приблизно відповідає кінцю кривої зносу на 2-й ділянці і застосовується при чорновій і чистовій обробці на автоматах і автоматичних лініях і для дорогого інструмента.
При застосування технологічних критеріїв, у більшості випадків, роботу припиняють раніш [ ]о . Під критерієм технологічного зносу [ ]Т розуміють такий, при якому роботу інструмента припиняють за технологічними обмеженнями: збільшення шорсткості поверхні, втрата розміру, виникнення вібрацій, нагрів деталі, поломка інструмента, різке збільшення сили різання чи крутного моменту. Ці критерії, в основному, застосовуються при чистовій обробці.
11.6.4. Стійкість інструмента
Стійкістю інструмента називають його здатність зберігати працездатними свої контактні поверхні і різальні леза на протязі визначеного часу роботи. Час роботи називається періодом стійкості – Т.
Період стійкості інструмента – Т – найважливіша експлуатаційна характеристика інструмента – залежить від роду, механічних, теплофізичних властивостей оброблюваного й інструментального матеріалів, геометричних параметрів інструмента, параметрів режиму різання і МОР.
11.7.Основні методи обробки поверхонь деталей машин різанням та їх продуктивність
Досвід механічної обробки деталей машин свідчить, що більшість поверхонь, із яких вони складаються можна одержати за допомогою наступних основних операцій:
1) точіння
2) свердлування
3) фрезерування
4) шліфування
та інші.
Методами точіння та свердлування обробляються поверхні за формою тіл обертання.
Фрезерування та шліфування дозволяють одержувати як плоскі поверхні, так і поверхні тіл обертання.
11.7.1. Продуктивність обробки різанням
Продуктивність будь-якої обробки визначається нормою виробітку, тобто кількістю готових деталей, які мають бути вироблені на робочому місці за якийсь нормований період часу.
, (11.1)
де Т - нормований час (година, зміна, місяць, рік),
Тшт.к. – штучно-калькуляційний час обробки однієї деталі.
Якщо нормованим періодом часу є одна година, то
, [шт/год].
, (11.2)
де Tшт - штучний час, що витрачається на виготовлення однієї деталі.
- підготовчо-заключний час, який витрачається на ознайомлення з кресленням виробу, підготовку верстата і оснащення до виконання операції;
n - кількість деталей в партії, що запускається у виробництво.
Тшт = Tм + Тдоп + Tвідп + Тоб , (11.3)
де Tм – машинний час, на протязі якого інструмент взаємодіє з заготовкою (знімає стружку);
Тдоп – допоміжний час, що затрачується на підвід і відвід інструмента, встановлення його на розмір (час допоміжних ходів);
Tвідп – час, відведений на відпочинок;
Тоб – час на обслуговування робочого місця.
, (11.4)
Lр.х. – довжина робочого ходу інструмента;
Sхв – хвилинна подача інструмента;
i - кількість проходів при обробці однієї поверхні.
Довжина робочого ходу інструмента, як правило, складається із довжини оброблюваної поверхні заготовки Lз, відстані, на протязі якої інструмент врізається у заготовку, не профілюючи оброблену поверхню Lвр, і гарантованої відстані на вихід інструмента із зони обробки – перебігу інструмента Lпер (як правило, приймається 2…3 мм). Тобто:
Lр.х= Lз+ Lвр+ Lпер. (11.5)
Величина врізання інструменту, кількість проходів і хвилинна подача визначаються для кожного способу обробки за своєю, індивідуальною методикою.
11.7.2. Обробка на токарних верстатах
Рис.11.14 Кінематичні схеми операції точіння
В ході операції точіння головний рух із швидкістю надається заготовці (вона обертається), а подачею є поступальний рух інструмента вздовж (рис.11.14,а) та перпендикулярно осі заготовки (рис.11.14,б). Таким чином конструкція верстата для обробки різанням має передбачати наступні функціональні вузли (рис.11.15):
Рис.11.15 Принципова конструкція токарного верстата
станина (8), на якій монтуються всі вузли верстата;
передня бабка із коробкою швидкостей (2) і гітарою змінних шестерень (1), що забезпечують регулювання швидкості головного руху різання;
патрон верстата (9), в якому закріплюється заготовка;
задня бабка (5) із центром, який підтримує довгу заготовку або служить для закріплення інструмента типу свердло.
коробка подач (3), яка служить для регулювання швидкості руху подачі;
супорт (7) із різцетримачем (4), де встановлюється інструмент, і який забезпечує поздовжній або поперечний рухи подачі.
В ході обробки на токарних верстатах можна досягнути 7…9 квалітету точності і шорсткості обробленої поверхні . Для обробки кожного виду поверхні деталі використовуються відповідні рухи подачі та типи різців. За призначенням їх можна розділити на:
Поздовжнє точіння циліндричних і конічних зовнішніх поверхонь (рис.11.16), що виконуються прямими прохідними (11.16,а), прохідними відігнутими (11.16,б), прохідними упорними (11.16,в) та широкими прорізними різцями (11.16,г). Причому прохідними упорними різцями обробляється як циліндрична поверхня, так і торець (уступ), оскільки головна різальна кромка його має кут в плані .
а) б) в) г)
Рис.11.16 Схеми обробки зовнішніх циліндричних поверхонь
2) Плоскі поверхні, перпендикулярні до осі обертання, обробляються підрізними (рис.11.17,а) та прохідними (підрізними) відігнутими (рис.11.17,б), у яких робочою є ліва вершина. Всі ці інструменти працюють із поперечною подачею. Аналогічним способом працює прорізний різець, що утворює циліндричну канавку (рис.11.17,в). Подібну конструкцію мають відрізні різці, які в ході подачі доходять до осі деталі, тим самим відрізаючи готову деталь.
а) б) в)
Рис.11.17 Схеми токарної обробки плоских поверхонь
3) Поверхні з фасонною твірною (фасонні деталі) обробляються або за рахунок складного руху подачі звичайним прохідним прямим (копіювальним) різцем (рис.11.18,а), або фасонним різцем, який має різальну кромку, ідентичну профілю деталі (рис.11.18,б).
а) б)
Рис.11.18 Схеми токарної обробки фасонних поверхонь
4) Обробка внутрішніх поверхонь називається розточуванням і виконується розточувальними прохідними (рис.11.19,а), упорними (рис.11.19,б) та прорізними (рис.11.19,в) різцями.
а) б) в)
Рис.11.19 Схеми токарної обробки внутрішніх поверхонь
5) Крім основних поверхонь на токарних верстатах формуються і додаткові поверхні, до яких відносяться фаски, що обробляються фасковими (рис.11.20,б) або відігнутими прохідними різцями (рис.11.20,а), та різьбові поверхні, для виготовлення яких використовуються різьбові різці (рис.11.20,в) і різьбові плашки (рис.11.20,г). Слід відмітити, що рухом різання при нарізання різьбовим різцем є гвинтовий рух, що складається з обертання і поздовжнього переміщення із заданим кроком різі, а подача - періодичне врізання різця у заготовку після кожного проходу.
а) б) в) г)
Рис.11.20 Схеми токарної обробки фасок і різьбових поверхонь
При нормуванні токарних операцій розраховують машинний час на обробку однієї деталі.
, (11.6)
Lр.х. – довжина робочого ходу інструмента;
Sхв – хвилинна подача інструмента, Sхв=nS ;
i - кількість проходів при обробці однієї поверхні:
, (11.7)
де - максимальний припуск на обробку заданої поверхні.
Lр.х= Lз+ Lвр+ Lпер, (11.8)
де - відстань, на протязі якої інструмент врізається у заготовку, не профілюючи оброблену поверхню;
Lпер = 2…3 мм для відкритих поверхонь, і Lпер не враховується, якщо обробляються закриті поверхні до упору.
Рис. 11.21 кінематична схема і форма зрізуваного шару при свердлуванні та розсвердлуванні
11.7.3. Обробка заготовок на свердлувальних верстатах
Свердлування характеризується обертовим головним рухом інструмента - свердла із швидкістю та його поступальною подачею (рис.11.21). У випадку, коли збільшується діаметр уже існуючого отвору, операція носить назву – розсвердлювання. Виходячи із цього, конструкція свердлувального верстата має передбачати наступні функціональні вузли (рис.11.22):
станину (1), яка деколи називається колоною. На ній монтуються всі вузли верстата;
стіл (2), де встановлюються заготовки і пристрої для їх закріплення;
свердлувальну бабку (3), яка містить в собі і коробку швидкостей, і коробку подач. Свердлувальна бабка при настроюванні на конкретну деталь може вертикально переміщуватись по напрямним (4) станини;
шпиндель (5), в якому закріплюється свердло або інший осьовий інструмент.
Рис.11.22 Загальний вид вертикально-свердлувального верстата
На відміну від різця свердло має дві головні різальні кромки (рис.11.23), з’єднані перемичкою (поперечною кромкою). Направлення свердла в отворі забезпечується двома напрямними стрічками, а закріплення в патроні чи шпинделі верстата – за допомогою циліндричного або конічного хвостовика з лапкою. Лапка служить для вибивання хвостовика із шпинделя верстата.
Операція свердлування, як правило забезпечує невисокі показники точності отвору (11-13 квалітет) та його шорсткості ( ). Для покращання точності і шорсткості використовують послідовну обробку зенкером (рис.11.24,а) (зенкерування) та розвіртками (розвіртування) (рис.11.24,б) .
Рис.11.23 Основні конструктивні елементи гвинтового свердла
Зенкерування - обробка отворів зенкером для надання їм необхідних розмірів та шорсткості (на відміну від свердла зенкер має від трьох до шести різальних лез). Часто зенкерування використовується для обробки “чорних” отворів після литва і штампування. Після цієї операції одержується точність отвору за 8...11 квалітетом і шорсткість обробленої поверхні .
Розвіртування отворів є чистовою операцією, яка проводиться за 2…3 проходи. За рахунок великого числа різальних зубів, їх нерівномірного кроку, малого припуску на обробку вдається значно зменшити гранність отвору і збільшити його якість. Фінальні параметри точності досягають 7 квалітету, а шорсткість обробленої поверхні - .
а) б)
Рис.11.24 Конструкції інструментів для чистової обробки отворів: а) – циліндричного зенкера; б) – машинної розвіртки
До свердлувальних операцій відносять обробку допоміжних поверхонь: конічних і циліндричних гнізд, плоских поверхонь бобишок, різбових отворів. Для виготовлення перших трьох поверхонь використовують конічні (рис.11.25,а) і циліндричні зенківки (рис.11.25,б). Їх різновидність для обробки плоскої поверхні бобишок носить назву – цеківка (рис.11.25,в). Для кращого направлення інструмента в отворі, забезпечення співвісності та перпендикулярності поверхонь часто використовують додаткову напрямну цапфу, яка точно центрується в попередньо обробленому циліндричному отворі.
а) б) в)
Рис.11.25 Схеми обробки зенківками і цеківками
Рис.11.26 Конструктивні елементи мітчика
Обробка внутрішніх різьбових отворів виконується інструментом – мітчиком. За конструкцією він являє собою гвинт із сформованими стружковими канавками і різальною частиною (рис.11.26). Через малу міцність мітчика різь на деталі не може бути виготовлена за один прохід. Тому мітчики працюють в комплекті із 2-х або 3-х штук:
чорновий;
напівчистовий;
чистовий.
Остаточний профіль різі утворюється останнім – чистовим мітчиком. Для зменшення сил тертя і крутного моменту обов’язково застосовується змащування.
Машинний час для свердлувальних операцій розраховується за тими ж формулами (11.6…11.8), що і для токарних. Відмінність лише в тому, що обробка, як правило, проводиться за один прохід, а для свердлування глибина різання приймається рівною половині діаметра.
11.7.4. Обробка заготовок на фрезерувальних верстатах
Операція фрезерування використовується у всіх типів виробництва для обробки плоских і фасонних поверхонь, пазів, уступів, шпонкових канавок, зубів зубчастих коліс та ін. В залежності від величини знімаємого припуску фрезерування може бути чорновим, напівчистовим, чистовим і тонким. Остання операція забезпечує 6...7 квалітет точності і шорсткість обробленої поверхні .
При фрезеруванні головний рух обертання зі швидкістю V надається інструменту (фрезі), а рух подачі - поступальний рух в вертикальному, поздовжньому і поперечному напрямках виконується, як правило, заготовкою (інколи – фрезою). Для забезпечення цих рухів в конструкціях фрезерувальних верстатів передбачені наступні вузли (рис.11.27):
- Станина, на якій монтуються всі інші вузли;
- обертання шпинделя (4) верстата;
- Хобот, що підтримує оправку із фрезою за допомогою серги (5);
6 - Заготовка, встановлена і закріплена на столі (7) верстата;
8 - Коробка подач для зміни швидкості переміщення стола у поздовжньому , поперечному і вертикальному напрямках. Кінематичний ланцюг подач у фрезерувальних верстатів не зв’язаний із ланцюгом головного руху, тому, на відміну від токарних і свердлувальних верстатів, він регулюється за величиною хвилинної подачі , в мм/хв.
9 - Консоль верстата, яка містить в собі коробку подач (8), стіл (7) і приводи переміщення.
10 - Оправка, на яку монтуються фреза (11) та регулювальні кільця (12), що служать для встановлення положення фрези вздовж осі оправки.
Рис.11.27 Принципова схема конструкції горизонтально- фрезерувального верстата
В залежності від положення фрези відносно заготовки і розміщення на інструменті різальних зубів, розрізняють циліндричне, торцеве і змішане фрезерування. У першій схемі (рис.11.28,а) фреза має різальні кромки на циліндричній частині, а вісь її обертання паралельна обробленій поверхні. У торцевої фрези (рис.11.28,б) оброблена поверхня формується зубами, що розміщені на торці, а вісь її обертанні перпендикулярна обробленій поверхні. Схема змішаного фрезерування має ознаки як першої, так другої.
Циліндрична фреза, в свою чергу може знімати припуск або за схемою попутного фрезерування (рис.11.29,а), коли в зоні обробки швидкість різання і подача направлені в один бік, або за схемою зустрічного фрезерування (рис.11.29,б), коли в зоні обробки ці рухи протилежні. Краща якість поверхні і умови роботи забезпечуються першою схемою, але вона вимагає добре відрегульованих приводів подач, оскільки фреза може додатково затягувати заготовку в напрямку подачі, що може бути причиною поломки наступного зуба.
а) б) в)
Рис.11.28 Схеми циліндричного, торцевого і змішаного фрезерування
Крім плоских поверхонь на фрезерувальних верстатах обробляють і більш складні поверхні, для яких використовуються спеціальні види інструментів. Так обробка вузьких і глибоких пазів виконується дисковими фрезами (рис.11.30,а), а розрізання заготовок – аналогічними їм відрізними пилками. Більш широкі пази і уступи, особливо непрямолінійні обробляються кінцевими (пальцевими) фрезами (рис.11.30,б).
а) б)
Рис.11.29 Схеми попутного і зустрічного фрезерування
Для виготовлення V – подібних канавок чи пазів використовуються однокутові (у яких одна різальна кромка перпендикулярна осі) і двокутові фрези (рис.11.30,в). Фасонні профілі, наприклад, зубчасті колеса обробляються фасонними фрезами, у яких профіль різальної кромки копіює профіль оброблюваної впадини.
а) б) в) г)
Рис.11.30 Схеми роботи дисковою, кінцевою (пальцевою), двокутовою та фасонною модульною фрезами
При нормуванні фрезерувальних операцій визначають машинний час на обробку однієї деталі за формулами (11.6 і 11.8). Довжина врізання у формулі (11.8) розраховується для схеми торцевого фрезерування за формулою:
, (11.9)
де - діаметр фрези;
- ширина фрезерування,
а для схем, подібних циліндричному фрезеруванню:
, (11.10)
де - глибина різання.
Величина перебігу фрези назначається аналогічно: Lпер = 2…3 мм для відкритих поверхонь, і Lпер не враховується, якщо обробляються закриті поверхні до упору.
11.7.5. Обробка заготовок на шліфувальних верстатах
Шліфування є операцією чистової, як правило – фінішної обробки поверхонь самої різноманітної форми, та дає можливість одержати шорсткість обробленої поверхні і забезпечує точність 6…7 квалітету. Шліфуванню піддаються як м’які матеріали, так і дуже тверді, загартовані. Особливістю цього процесу є те, що стружка знімається дрібними абразивними зернами 2 (рис.11.31), хаотично розміщеними в корпусі шліфувального круга 1 і скріпленими між собою за допомогою зв’язки 3. Для зерен використовують, як правило, штучні абразивні матеріали, як то:
Електрокорунди (електрокорунд нормальний, білий, титанистий, хромистий, монокорунд), які в своїй основі мають окис алюмінію – глинозем, оброблений за спеціальною технологією;
Карбіди кремнію (чорний і зелений), які більш тверді, ніж електрокорунди, але і більш крихкі. Тому вони частіше використовуються для обробки твердих матеріалів, загострювання інструментів, тощо;
Карбід бору – використовується як шліфувальний порошок;
Кубічний нітрид бору (ельбор, белбор, гексаніт, ісміт) – надтвердий матеріал, що застосовується для чистового шліфування твердих чорних матеріалів;
Штучний алмаз – використовується, як правило, для чистового загострювання твердих сплавів, кераміки і надтвердих матеріалів.
Рис.11.31 Особливості різання абразивними зернами
На відміну від різальних інструментів, абразивні зерна в крузі вільно орієнтовані, виступають на різну висоту із корпуса круга, а також мають значно більший, у порівнянні із різальним інструментом, радіус заокруглення різального леза та від’ємний передній кут. Це приводить до того, що на досить значному проміжку шляху контакту між заготовкою 4 і вершиною зерна воно не зрізає стружку, а втискується в поверхню різання, пластично її деформуючи (див.рис.11.31,а,б). Лише коли радіус заокруглення різального леза стає більшим товщини зрізуваного шару (див.рис.11.31,в), починається процес зрізання стружки. Ця особливість процесу шліфування є причиною виникнення досить значних сил різання, інтенсивного тепловиділення, яке може приводити навіть до згоряння стружки і виникнення
пригарів на обробленій поверхні.
Коли верхні зерна через значні тиски і температуру швидко зношуються, зростаючі сили різання виривають їх із зв’язки, звільняючи місце для нових, ще гострих. Це явище проходить неперервно в процесі шліфування і називається самозагострюванням шліфувального круга.
На шліфувальних верстатах головним рухом різання є обертання шліфувального круга
зі швидкістю . Рухи подачі, як правило, виконуються заготовкою і самим кругом. Вони можуть бути поступальними або обертальними. Оскільки шліфувальний круг здатен знімати тільки малі товщини (0,02...0,1 мм), шліфування є багатопрохідною обробкою, у якій декілька подач і поступальних, і обертових реалізуються як одночасно, неперервно; так і періодично, дискретно.
Шліфувальні операції класифікуються за видом обробленої поверхні і подачі. Розрізняють:
Кругле зовнішнє шліфування (поздовжнє і врізне).
Кругле внутрішнє шліфування (поздовжнє і врізне).
Плоске шліфування периферією круга з поздовжньою і круговою подачею.
Плоске шліфування торцем круга з поздовжньою і круговою подачею.
Перший вид шліфування використовується для обробки циліндричних поверхонь заготовок значної довжини (рис.11.32,а). За цією схемою для утворення циліндричної поверхні заготовка виконує круговий обертовий рух (кругова подача ), а також переміщується в поздовжньому напрямку (зворотно-поступальний рух поздовжньої подачі ). Величина поздовжньої подачі призначається від 0,2 до 0,8 ширини шліфувального круга для кожного оберту деталі. Оскільки шліфувальний круг може зрізати дуже малі глибини різання , для зняття всього припуску він періодично, після кожного подвійного ходу заготовки врізається на задану глибину (поперечна подача врізання ). По завершенню подачі врізання заготовка виконує 2…3 подвійні вигладжуючі ходи для формування остаточно обробленої поверхні 2.
а) б) в)
Рис.11.32 Схеми циліндричного поздовжнього, врізного та внутрішнього шліфування
Якщо довжина оброблюваної поверхні невелика і не перевищує ширини шліфувального круга, більш продуктивним є процес врізного шліфування (рис.11.32,б). За цією схемою круг крім обертання здійснює рух на врізання (поперечна подача врізання ) у заготовку, що обертається із круговою подачею . Процес обробки закінчується , коли круг доходить до упору, після чого деталь виконує ще декілька вигладжуючих обертів.
Обробка внутрішніх циліндричних поверхонь (рис.11.32,в) виконується за такими ж кінематичними схемами, що і зовнішніх. Відмінність лише в тому, що через малу жорсткість кріплення шліфувального круга він може зрізати набагато менші глибини різання, ніж при зовнішньому шліфуванні.
Обробка гладких (без уступів) зовнішніх циліндричних поверхонь може також здійснюватись за схемою безцентрового шліфування (рис.11.33). Оброблювана заготовка 1 підтримується спеціальним ножем 2 між двома абразивними кругами, один із яких є ріжучим 3, а інший - ведучим 4. За рахунок того, що вісь обертання ведучого круга 4 нахилена під деяким кутом до осі заготовки, він одночасно забезпечує її обертання з круговою подачею і просування вздовж осі із швидкістю поздовжньої подачі . Процес безцентрового шліфування, як правило, є однопрохідною обробкою і здійснюється безперервно, забезпечуючи високу продуктивність праці.
Рис.11.33 Схема безцентрового шліфування
Плоскі поверхні можуть оброблятися або периферією круга, або його торцем. Як правило, ширина оброблюваної поверхні більша за ширину круга (рис.11.34,а), тому, крім зворотно-поступального руху поздовжньої подачі заготовки, сам круг здійснює поперечне переміщення з подачею після кожного подвійного ходу стола. Величина поперечної подачі призначається від 0,2 до 0,8 ширини шліфувального круга для кожного оберту деталі.
а) б)
Рис.11.34 Схеми плоского шліфування периферією та торцем круга
Аналогічно іншим способам шліфування, круг може зрізати дуже малі глибини різання , тому для зняття всього припуску він періодично, після обробки всієї площини заготовки врізається на задану глибину (поперечна подача врізання ). По завершенню подачі врізання виконується вигладжуючий цикл для формування остаточно обробленої поверхні 2.
Обробки площин торцем круга виконується за аналогічною схемою (рис.11.34,б). Його перевагою є те, що за один подвійний хід обробляється більша ширина поверхні, тому забезпечується вища продуктивність праці. Проте через значну площу контакту між кругом і заготовкою різко зростає тепловиділення і сили різання, тому дана схема вимагає значно більшої потужності верстата і деколи може давати пригари поверхні.
Обидві розглянуті схеми плоского шліфування можуть бути реалізовані при круговому рухові подачі, коли заготовки встановлюються на обертовому столі. Всі інші рухи, необхідні для реалізації обробки, залишаються без змін.
Машинний час на обробку однієї деталі при шліфуванні розраховують за формулами (11.6, 11.8), враховуючи специфіку кожної схеми шліфування. Так для схем (рис.11.32,а,в - 11.34,б) довжина врізання і перебігу формулі (11.8) встановлюється із технологічних міркувань до половини ширини круга або його діаметру, щоб шліфувальний круг не виходив із контакту з заготовкою.
Оскільки шліфування є багато прохідною обробкою, то основною задачею є розрахунок кількості проходів. Вона буде визначатися кількістю поперечних переміщень для обробки всієї площини (для схем плоского шліфування) і кількістю врізань для зняття всього припуску, приймаючи до уваги і додаткові вигладжуючи ходи. Виходячи із цього, формула (11.7) буде мати наступний вигляд:
Циліндричне поздовжнє шліфування (зовнішнє і внутрішнє) - .
Плоске шліфування периферією та торцем круга - .
Формули для інших способів обробки конструюються аналогічним чином.