Раздел VI. Технология обработки материалов резанием

Механическая обработка материалов резанием связана с удалением части материала с заготовки режущим инструментом для получения необходимой геометрической формы. Методы обработки определяют точность изготовления детали, шероховатость поверхности и физико-механические свойства поверхностного слоя деталей, которые имеют большое значение для достижения высоких эксплуатационных характеристик, определяющих надежность машин.

В разделе рассматриваются современные и прогрессивные технологические методы формообразования поверхностей деталей машин точением, сверлением, фрезерованием, протягиванием, шлифованием, отделочными, электрофизическими и другими методами обработки. Методы обработки рассматриваются в совокупности с оборудованием, инструментом и оснасткой.

Ознакомившись с целями и задачами раздела следует четко представлять, что знание технологических методов обработки является основой для создания совершенных конструкций машин и приборов.

Физические основы обработки материалов резанием

В основу металлообработки положено сочетание элементарных движений – поступательного и вращательного, относительными движениями заготовки и инструмента, а форма поверхности получается комбинацией этих движений и формой режущих кромок инструмента.

Движения, участвующие в процессе резания рассмотрите на примере обработки цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке.

Инструмент и заготовку устанавливают и закрепляют в рабочих органах станков: в шпинделе, на столе, в револьверной головке. Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя металла или вызывают изменения состояния обработанной поверхности заготовки называют движением резания. К ним относятся главное движение и движение подачи. Кроме этих движений различают установочные и вспомогательные движения резания.

За главное принимают движения, определяющие скорость деформирования и отделения стружки, за движение подачи – движение, обеспечивающее врезание режущей кромки инструмента в материал заготовки.

При изучении схем обработки следует обратить внимание на элементы режима резания и их размерности, геометрию срезаемого слоя металла.

Так, при резании на токарном станке скоростью резания называют расстояние, пройденное точкой режущей кромки инструмента относительно заготовки в единицу времени. При вращательном движении (точении) скорость резания определяется:

где D_заг – наибольший диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм.

n – частота вращения заготовки в минуту.

При возвратно-поступательном движении главное движение определяется:

где L – расчетная длина хода инструмента, мм.

m – число двойных ходов инструмента в минуту,

k – коэффициент, показывающий отношение скоростей рабочего и холостого ходов.

Подачей s называют путь точки режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении движения подачи за один оборот, либо один ход заготовки или инструмента. Размерность подачи: мм/об – для точения и сверления; мм/дв. ход – для строгания и шлифования.

Глубина резания t – расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями заготовки, измеренное перпендикулярно к последней.

Для точения цилиндрической поверхности:

где d – диаметр обработанной поверхности заготовки, мм;

Показатели качества обрабатываемой поверхности, среди которых следует выделить шероховатость и точность формы поверхности, физико-механические свойства поверхности (наклеп, микроструктура, остаточные напряжения и др.) способствуют пониманию закономерностей формообразования деталей при резании, а также надежность и долговечность деталей и машин в целом.

Важнейшим составным элементом процесса резания является режущий инструмент. Следует рассмотреть элементы и геометрию режущего инструмента, углы заточки и их влияния на процесс резания и качество обработанной поверхности.

На качество обрабатываемой поверхности влияют силы резания, действующие на резец и заготовку при точении. По составляющим силы резания ведут расчеты на прочность элементов станка, инструмента, приспособления, рассчитывают ожидаемую точность размерной обработки и погрешности геометрической формы.

На процесс стружкообразования затрачивается 90% силы и работы резания, выделяется основная часть теплоты, от него зависит износ инструмента, качество поверхностного слоя и точность обработки детали. Вид образующейся стружки (сливная, скалывания, надлома) зависит от физико-механических свойств металла обрабатываемой детали, режима резания, геометрии режущего инструмента, применяемых в процессе резания смазочно-охлаждающих средств.

Обработка заготовок на металлорежущих станках

Металлорежущие станки разделены на десять групп, а каждая группа на десять типов. Особое место в станкостроении занимают станки с программным управлением и многооперационные (обрабатывающие центры).

Существующая классификация построена на принципе общности технологического метода обработки заготовок деталей машин. Основные движения, характерные для конкретного технологического метода определяют группу и кинематические цепи станков, а также принципиальные конструктивные схемы оборудования.

Начать изучение процесса следует с рассмотрения принципиальной схемы и особенности изучаемого технологического метода формообразования поверхностей, отметив технологическое назначение движений, виды обрабатываемых поверхностей, режущий инструмент, приспособления, типы заготовок и их установку на станках. Затем следует уяснить наиболее характерные схемы обработки различных поверхностей заготовок на станках данной группы, заканчивая рассмотрение технологическими требованиями к конструкции обрабатываемых деталей.

Обработка заготовок на токарных станках. Технологический метод формообразования поверхностей заготовок на станках токарной группы характеризуется двумя движениями: вращательными движениями заготовки (скорость резания) и поступательным движением режущего инструмента – резца (движение подачи).

Разновидности точения: обтачивание – обработка наружных поверхностей; растачивание – обработка внутренних поверхностей; подрезание – обработка плоских (торцовых) поверхностей; резка – разделение заготовок на части или отрезка готовой детали от заготовки.

Изучая устройство токарно-винторезного станка, как наиболее универсальных и широко распространенных, следует выделить как реализуются основные движения при вышеназванных разновидностях точения, а также при нарезании различных видов резьбы.

Универсальные токарно-винторезные станки применяют для обработки единичных деталей сложной формы или малых партий деталей.

Изучите виды и конструкции инструментов и приспособления для закрепления заготовок на станке, их назначение.

Так для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей используются проходные резцы, подрезные для обтачивания плоских торцовых поверхностей. Отрезные – для разрезания заготовок, резьбовые нарезания наружных и внутренних резьб, фасонные круглые и призматические для обтачивания фасонных поверхностей, прорезные для обтачивания кольцевых канавок.

Растачивание внутренних цилиндрических поверхностей выполняют расточными резцами, закрепленными в резцедержателе станка, с продольной подачей. Гладкие сквозные отверстия растачивают проходными резцами, ступенчатые и глухие - упорными расточными резцами.

Ознакомьтесь с технологическими требованиями к конструкциям обрабатываемых деталей.

Обработка заготовок на сверлильных и расточных станках. Сверление – получение сквозных и несквозных (глухих) отверстий в сплошном материале.

Сверление осуществляют при сочетании вращательного движения инструмента вокруг оси – главного движения и поступательного его движения вдоль оси – движения подачи. Оба движения сообщают инструменту.

Отверстия на сверлильных станках обрабатывают сверлами, зенкерами, развертками и метчиками.

Наиболее распространенный для сверления и рассверливания инструмент – спиральное сверло.

Зенкерами обрабатываются отверстия в литых или штампованных заготовках, а также в предварительно просверленных отверстиях. Обратите внимание на особенности режущих кромок зенкеров и их назначение по виду обрабатываемых отверстий.

Развертки окончательно обрабатывают отверстия. Также как и зенкеры развертки различают по форме обрабатываемого отверстия и по конструкции крепления.

Метчики применяют для нарезания внутренних резьб.

Изучите обработку заготовок на вертикально-сверлильных, радиально-сверлильных, агрегатных станках, уясните назначение узлов станков. Обратите внимание, что при работе на агрегатных станках достигается высокая производительность и легкий переход на выпуск новой продукции путем переналаживания различных сборочных узлов станка.

Растачивание как технологический метод обработки отверстий проводится на расточных станках. На них в основном обрабатываются отверстия в корпусных деталях. Этот метод позволяет получить отверстия с высокой точностью размера и формы, а также обработку точно координированных отверстий. На них обрабатываются также наружные торцовые поверхности, внутренние канавки, уступы и при использовании специальных приспособлений – конические, фасонные поверхности и выполняют нарезание резьбы резцами.

На расточных станках используют различные инструменты: резцы, сверла, зенкеры, развертки, метчики, фрезы. Расточные резцы работают в менее благоприятных условиях, чем токарные, они имеют меньшие размеры. Нежесткость инструмента является причиной вибраций в процессе резания и снижения качества обработанной поверхности. Изучите названия и назначение узлов горизонтально-расточного станка, на базе которого выполняются конструкции других универсальных и специальных расточных станков.

Обработка заготовок на фрезерных станках. Фрезерование – высокопроизводительный метод обработки поверхностей заготовок многолезвийным инструментом – фрезой.

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

Особенностью процесса фрезерования является прерывистость резания каждым зубом. Зуб фрезы находится в контакте с заготовкой на некоторой части оборота, а затем продолжает движение не касаясь заготовки до следующего врезания.

Фрезерованием обрабатывают горизонтальные, вертикальные и наклонные плоскости, фасонные поверхности, уступы и пазы различного профиля.

В зависимости от назначения и вида обрабатываемых поверхностей различают следующие типы фрез: цилиндрические, торцовые, дисковые, концевые, угловые, шпоночные, фасонные.

Изучите приспособления для обработки заготовок: универсальные (прихваты, угольники, призмы, машинные тиски) и специальные (делительные головки, которые служат для периодического поворота заготовок на требуемый угол и непрерывного их вращения при фрезеровании винтовых канавок).

Ознакомьтесь с обработкой заготовок на горизонтально- и вертикально-фрезерных станках, на продольно-фрезерных станках и станках непрерывного действия.

Ознакомьтесь с технологическими требованиями к конструкциям обрабатываемых деталей.

Обработка заготовок на строгальных и долбежных станках. Строгание – метод обработки плоских и фасонных поверхностей, канавок, пазов, выемок различных профилей при прямолинейном возвратно-поступательном движении инструмента или заготовки. Процесс резания при строгании прерывистый. Резец совершает поочередно рабочий и холостой ход.

Скоростью резания при строгании является скорость рабочего хода, при которой происходит процесс резания. Она может быть постоянной или переменной (она изменяется от нуля до максимума и затем снова до нуля в конце каждого хода).

где L – величина хода ползуна;

n – число двойных ходов;

m – отношение скорости рабочего хода ползуна к скорости холостого хода. Для поперечно-строгальных станков m=0.75.

Прерывистое движение подачи на каждый двойной ход сообщается столу с заготовкой или резцу.

Долбление является разновидностью строгания. Главное движение на долбежных станках совершается в вертикальной плоскости. На долбежных станках обрабатываются шпоночные пазы, канавки, фасонные поверхности.

Ознакомьтесь с особенностями обработки поверхностей заготовок строганием и долблением, устройством строгальных и долбежных станков, рассмотрите особенности конструкций этих станков и оригинальные механизмы, применяемые в приводах главного движения и подачи.

Обработка заготовок на протяжных станках. Протягивание – метод обработки внутренних и наружных поверхностей, обеспечивающий высокую точность формы и размеров обрабатываемой поверхности. Протягивают многолезвийным инструментом – протяжкой.

Скорость резания при протягивании – это скорость поступательного движения протяжки относительно неподвижной заготовки.

Подача при протягивании как самостоятельное движение отсутствует. За величину подачи , определяющую толщину срезаемого слоя отдельным зубом протяжки, принимают подъем зуба, т.е. разность размеров по высоте двух соседних зубьев протяжки, подача одновременно является и глубиной резания.

Подача зависит от обрабатываемого материала, конструкции протяжки и жесткости заготовки и составляет 0,01…0,2 мм/зуб.

Инструмент при протяжке делят на две группы: внутренние протяжки, которыми обрабатывают различные замкнутые поверхности и наружные протяжки, которыми обрабатывают полузамкнутые и открытые поверхности различного профиля. Ознакомьтесь с элементами протяжек. Изучите типы станков, особенности обработки на этих станках и ознакомьтесь с технологическими требованиями к конструкциям обрабатываемых деталей.

Обработка заготовок на шлифовальных и отделочных станках. Шлифование – это процесс обработки заготовок резанием с помощью абразивных кругов. Абразивные зерна расположены в круге беспорядочно и удерживаются связующим материалом. Шлифование применяют для чистовой и отделочной обработки деталей с высокой точностью. Главным движением при шлифовании является вращение круга.

Скорость резания равна окружной скорости точки на периферии шлифовального круга:

где n_k – частота вращения круга, об/мин;

D_k – наружный диаметр шлифовального круга, мм.

Подачами являются перемещение заготовки или инструмента вдоль или вокруг координатных осей. При плоском шлифовании возвратно-поступательное перемещение заготовки является продольной подачей. Это движение происходит прерывисто (периодически) при крайних положениях заготовки в конце продольного хода. При круглом шлифовании продольная подача происходит за счет возвратно-поступательного перемещения заготовки, она соответствует осевому перемещению заготовки за один ее оборот. (S_пр, мм/об). Вращение заготовки является круговой подачей (S_пр, м/мин).

Глубина резания определяется толщиной слоя материала, срезаемого за один проход.

Обратите внимание на различие абразивных инструментов по геометрической форме и размерам, роду и сорту абразивного материала, зернистости, связке, твердости, структуре или строении круга.

Для обработки шлифованием используются круглошлифовальные, внутришлифовальные, плоскошлифовальные, бесцентрово-шлифовальные и другие специализированные станки.

Обратите внимание на широкую универсальность кругло- и плоскошлифовальных станков. Рассмотрите формообразование внутренних цилиндрических поверхностей в неподвижной и во вращающейся заготовке на внутришлифовальных станках. Первый способ используют при шлифовании отверстий и крупных заготовок сложной формы.

Бесцентрово-шлифовальные станки применяют для обработки большой партии одинаковых деталей. Заготовки обрабатывают в незакрепленном состоянии и для них не требуется центровых отверстий. Заготовки ступенчатой формы или с фасонными поверхностями шлифуют с поперечной подачей. Эти станки легко автоматизировать.

Ознакомьтесь с технологическими требованиями к конструкциям обрабатываемых деталей.

Обработка заготовок на зубообрабатывающих станках. На этих станках выполняют обработку фасонных поверхностей различного профиля, но в основном поверхности эвольвентного профиля, используемые для профилирования боковых поверхностей зубьев зубчатых колес.

Изучите сущность получения фасонных профилей, равномерно расположенных по окружности: копирование (образование профиля фасонным инструментом) и обкатку (огибание) – образование профиля зубьев как огибающей последовательных положений режущих кромок инструмента относительно заготовки.

Для нарезания зубьев используют червячные модульные фрезы, зуборезные долбяки и зубострогальные резцы.

Зуборезные станки делят на типы в зависимости от технологического метода обработки: зубофрезерные – для нарезания цилиндрических прямозубых и косозубых и червячных колес, зубодолбежные – для нарезания цилиндрических зубчатых колес внешнего и внутреннего зацепления с прямыми и косыми зубьями; зубострогальные – для нарезания конических прямозубых колес по методу оснастки.

Ознакомьтесь с технологическими требованиями к конструкциям зубчатых колес.

Электрофизические и электрохимические методы обработки. Эти методы основанные на различных физико-химических процессах энергетического воздействия на обрабатываемый металл делятся на три группы. Первая, охватывает методы, основанные на тепловом воздействии на обрабатываемый материал включает электроэрозионную, электроконтактную, плазменную, электронно-лучевую и лазерную обработки.

Вторая группа объединяет методы, основанные на химическом или электрохимическом воздействии на обрабатываемый материал, (анодное растворение материала, методы химического фрезерования, при котором происходит растворение материала кислотами и щелочами).

Третья группа включает методы импульсного механического воздействия на обрабатываемый материал (ультразвуковая обработка, электровзрывное и электромагнитное формообразование).

Электроэрозионная обработка заключается в том, что формообразование осуществляется в результате съема материала при многократном возбуждении в межэлектродном промежутке электрических зарядов. Электроды, один из которых обрабатываемый материал, а другой инструмент подключающийся к генератору электрических импульсов, погружаются в диэлектрическую жидкость.

При сближении электродов происходит пробой межэлектродной среды и образуется тонкий токопроводящий канал, замыкающий электроды. По образовавшемуся каналу протекает ток большой плотности, при этом температура в зоне разряда достигает нскольких тысяч градусов. Участки электродов расплавляются и испаряются. При уменьшении тока в результате уменьшения давления паров металла металл вскипает и выбрасывается в виде мелких капель и застывает в окружающей жидкости. Твердые продукты эрозии выносятся из межэлектродного пространства, а на поверхностях электродов образуются лунки. Для получения размерной обработки энергия в зону обработки подается в виде электрических импульсов, вырабатываемых генераторами импульсов.

Электроэрозионной обработкой изготовляют сквозные и глухие отверстия различной формы, фасонные полости штампов и пресс-форм, проводят расточку внутренних поверхностей, шлифование плоскостей, изготовляют ручьи в валках для проката и другие работы, в том числе в труднодоступных местах.

Электроэрозионные станки включают универсальные копировально-прошивочные, станки для вырезки проволочным электродом – инструментом, станки для обработки ручьев, изготовления пресс-форм и т.д.

Электроконтактная обработка основана на использовании тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через место контакта инструмента с деталью, вызывая либо расплавления материала, либо только его нагрев.

Наиболее эффективно электроконтактная обработка используется для черновых и получистовых операций, таких как разрезка, очистка проката от окалины, обдирка и сглаживание поверхностей заготовок из трудно – обрабатываемых материалов, интенсификация процессов резания.

В месте контакта вращающего диска и заготовки при электроконтактной резке выделяется тепло, металл в зоне контакта расплавляется, увлекается вращающимся диском и удаляется из зоны обработки.

Электроконтактная очистка стальных листов от окалины осуществляется стальными щетками. Ток, проходящий через зону контакта, расплавляет окалину. Расплавленная окалина сметается щетками.

Сглаживание микронеровностей поверхности производится с помощью ролика или специальной гладилки перемещаемых по обрабатываемой поверхности. Ток, проходящий в месте контакта, разогревает микронеровности и облегчает их деформацию

Плазменная обработка основана на плазменной обработке материалов низкотемпературной плазмой, генерируемой дуговыми или ВЧ плазмотронами. Изменяются формы, размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности.

Применяют ее для резки материалов, нанесения покрытий, формирования деталей, получения порошков и сварки.

Электроннолучевая обработка основана на использовании тепловой энергии, выделяющейся в результате столкновения быстродвижущихся электронов с обрабатываемым материалом. Выделяющееся при бомбардировке тепло расходуется на нагрев обрабатываемого участка, расплавление металла и испарение его в зоне обработки.

Применяется этот вид обработки для получения малых отверстий диаметром до 2 мм, для задания конусной или цилиндрической формы отверстий в материалах толщиной до 15 мм, для гравирования, например, валиков офсетной печати, сварки в вакууме.

Лазерная обработка основана на взаимодействии лазерного излучения с поверхностью среды, что приводит к расплавлению материала, его испарению, вытеканию материала из зоны облучения и образования лунки.

Лазерная обработка применяется для лазерной резки металла, сверления отверстий, формирования фигурных изображений, лазерной сварки нержавеющей стали, молибдена, стекла, кварца.

Электрохимическая обработка основана на анодном растворении металла в среде электролита (растворы NaCl и NaNO₃) при прохождении постоянного электрического тока, продукты растворения удаляются потоком электролита.

Применяется для прошивки сквозных и глухих отверстий круглых и фасонных, изготовления ковочных штампов, прессформ, клеймения и маркирования.

Анодно-абразивная – это совмещенный способ обработки, при котором наряду с электромеханическим растворением происходит механическое резание материала абразивными зернами. Продукты обработки удаляются потоком электролита и инструментом. Применяется для шлифования плоскостей, тел вращения, фасонных профилей и заточки режущего инструмента.

Анодно-механическое полирование – растворение металла происходит в пассивном состоянии. Продукты обработки удаляются инструментом или абразивом. Применяется для отделочных операций деталей из нержавеющей стали, меди и других вязких материалов.

Ультразвуковая обработка применяется для размерной обработки особо хрупких материалов, сварки и пайки металлов, очистки деталей, поверхностного упрочнения металлов и др.