close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

5.Конспект лекций по разделу Резание материалов курса Материаловедение и технология конструкционных материалов

код для вставкиСкачать
Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь
Белорусский государственный аграрный технический университет
Кафедра: «Технология металлов»
В.Д.Ефремов
Конспект лекций по разделу «Резание материалов» курса «Материаловедение
и технология конструкционных материалов» для студентов высших учебных
заведений по направлению образования 74 06 Агроинжинерия.
Минск 2007 г
-2ЛЕКЦИЯ № 1
ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ И ЕГО ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕЗАНИЯ
1.
2.
3.
4.
План
Классификация материалов и процессов резания.
Краткая справка об истории развития науки о резании материалов.
Поверхности, плоскости и элементы процесса резания резцом.
Физические основы резания металлов.
1. В отраслях экономики используется большое количество различных
материалов, подвергаемых обработке резанием.
Все они имеют различные физико-механические свойства, влияющие на
особенности процесса резания. Условно их можно объединить в три группы: минерального, органического происхождения и композиционные. Под материалами
минерального происхождения понимаются металлические, неметаллические
материалы и минералы. Минералы разделяются на естественные и продукты
производства (искусственные).
Материалы органического происхождения разделяют на животные,
растительные
и
искусственные.
Под
композиционными
материалами
подразумеваются искусственно созданные и состоящие из соединения нескольких
различных материалов (стеклопластики, кардоволокна и др.).
Общим для процесса резания всех видов материалов является способность
разрушаться под воздействием сил резания и режущего инструмента.
По склонности к разрушению материалы можно классифицировать
следующим образом (рис. 1.1)
Материалы
Твердые
Хрупкие
Мягкие
Упругие
Пластичные
Вязкие
Рис. 1.1. Классификация материалов по прочности
По характеру разрушения, материалы условно разделены на следующие
типы: изотропные – содержащие однородную структуру по всем направлениям
(металлы, пластмассы и др.); анизотропные – обладающие волокнистой структурой,
у которых упругие и механические свойства вдоль и поперек волокон различные
(однослойная фанера, стебельные растения и др.); ортотропные – имеют различные
-3физико-механические свойства во взаимно перпендикулярных направлениях
(слоистые пластики, древесина, композиционные и др.).
Различие физико-механических свойств материалов вызывают и различные
способы резания, которые можно свести к следующим: резание скалыванием
(буром) преимущественно хрупких материалов, пуансоном, резцом и лезвием (рис.
1.2).
а)
в)
б)
г)
д)
Рис. 1.2. Типы резания: а)-скалыванием; б)-пуансоном; в)-лезвием; г)-резцом;
д)-эпюры напряжений и характер износа.
1- режущий элемент; 2 – обрабатываемый материал; 3 – усилие резания.
Способ резания скалыванием применяется преимущественно для обработки
твердых и хрупких материалов, например, при бурении и добыче угля, горных
пород и сланцев. Угол заострения такого инструмента находится в пределах 90º120º. Под действием силы Р напряжения развиваются непосредственно в зоне
кромки, имеющей радиус округления ρ ≥1 мм (рис1.2а).
Способ обработки пуансоном преимущественно применяется при вырубке
заготовок (деталей) из листового материала. Угол заострения такого инструмента
находится в пределах 80º-90º, а напряжения распространяются на переднюю и
заднюю поверхности, связанные радиусом округления ρ ≥0.3 мм (рис 1.2б).
Способ обработки резцом со снятием стружки преимущественно
используется для обработки металлических материалов. В этом случае нагрузка на
-4поверхности резца определяется благодаря силе резания Р и углу заострения
β≤75º. Радиус округления ρ ≥ 0,1 мм (рис1.2в).
При обработке лезвием преимущественно мягких материалов вязких и
вязкоупругих нагрузка воспринимается непосредственно на острие лезвия, которое
имеет угол заострения в пределах 60о-10о, а радиус округления кромки ρ ≥ 0.01мм
(рис 1.2г).
2. Резание материалов зародилось в древние времена. Рождением первого
режущего инструмента можно назвать момент, когда древний человек для
обработки нужного материала применил острую кромку твердого камня. Уже в
этот период использовался лезвийный способ резания, поскольку он сыграл
важную роль для обработки мяса убитых животных, снятия шкуры и ее обработки.
В железный и бронзовый века лезвийный инструмент приобрел широкое
распространение в виде холодного оружия, используемого человеком для военных
действий.
В дальнейшем способы формирования лезвийного инструмента
совершенствовались и расширялась номенклатура обрабатываемых им материалов.
С появлением металла его прежде всего использовали для изготовления
режущих инструментов. Наиболее универсальное орудие труда – нож – становится
необходимой принадлежностью человека.
Одновременно с добыванием пищи идет создание себе жилища, в
строительстве которого огромная роль принадлежит дереву и его обработке. При
этом выявлено стремление человека сделать рабочую поверхность лезвия не
гладкой, а наоборот – шероховатой (зубчатой) или пилообразной. Такие
инструменты служили для обработки древесины и других материалов с
волокнистой структурой и вязкими свойствами.
Бурное развитие различных отраслей экономики поставило на поток
производство таких материалов, как резина, пластмасса, стеклопластики,
текстильную
и
целлюлозно-бумажную,
сельскохозяйственную
отрасли,
вызывающие необходимость создания новых способов резания или разделения
материалов, обладающих упругими, пластическими и вязкими свойствами.
Основоположником науки о резании материалов лезвием является академик
Василий Петрович Горячкин (1868-1935). В его трудах, а также в трудах его
учеников В.А. Желиговского, И.Н.Капустина, И.В. Сабликова, И.Е. Резника и др.
исследовались вопросы резания материалов лезвием.
Обработка материалов резцом получила широкое распространение лишь
более двухсот лет тому назад в связи с началом производства транспортных
средств, вооружения и текстильных машин [1]. Их надежная работа зависит от
точности изготовления деталей. Высокую точность изготовления обеспечивает
лишь обработка резанием со снятием стружки (резцом).
Изучение процессов резания резцом связано с созданием металлорежущих
станков и механизмов. Механик А.К.Нартов создал прообраз токарного станка с
самоходным суппортом. Первые экспериментальные исследования процесса
резания были проведены проф. Иван Августович Тиме (1838-1920) в период 18651870 гг. Большое значение для науки о резании металлов резцом нашли
теоретические и экспериментальные исследования проф. Константина Алексеевича
-5Зворыкина (1861-1928), который предложил схему сил, действующую на резец с
учетом трения. В последующем (1896-1900 гг) работы А.А.Брикса, В.В.Гадолина,
П.А.Афанасьева положили основание механики резания металлов.
Физические процессы резания металлов впервые исследовал Яков
Григорьевич Усачев (1873-1941). Он разработал методику измерения температур и
прибор для ее измерения, создал теорию наростообразования в процессе резания.
А.Н.Челюсткин в период 1922-1926 гг. установил формулу для определения силы
резания. В последующем наука о резании материала резцом очень бурно
развивалась, особенно в период 1935-1953 гг., когда была создана Комиссия по
резанию при Совете Министров СССР, а также созданы твердые сплавы и новые
сверхтвердые материалы для резцов.
Среди отечественных (белорусских) ученых особая роль принадлежит
академикам НАНБ: Коновалову Е.Г. (1914-1976), Ящерицыну П.И. (1915-2005 гг),
которые внесли значительный вклад в науку о резании материалов резцом.
Буровой инструмент имеет древнюю историю, однако его интенсивное
развитие получило при
создании новых сверхтвердых материалов и
искусственных алмазов. Наиболее распространенным материалом, применяемым в
архитектуре и строительстве, является природный камень. Камнеобработка как
отрасль промышленности сформировалась в первой половине 17 века, когда были
созданы
крупные
специализированные
предприятия
(Петергофский,
Екатеринбургский и др.), гранитные, камнерезные заводы. Первая машинная
разработка камня, угля и сланцев относится к 1807 году, когда был организован
Тивлинский мраморный завод. Имена талантливых мастеров по камню: Самсона
Суханова, Якова Кокоина, Гавриила Намнова и многих других – вошли в историю
отечественной архитектуры.
Резание пуансоном связано с созданием прессового оборудования, которое
получило развитие, преимущественно, с начала позапрошлого века.
3. Из приведенных четырех способов резания, резание резцом получило
широкое развитие в связи с обработкой металла и созданием машин. В этой связи
последующее изучение процессов резания будет связано с этим видом обработки
материалов. Процесс резания резцом включает в себя: станок, служащий для
закрепления заготовки, резца и придания им относительных рабочих и
вспомогательных движений, режущего инструмента для обеспечения процесса
резания со снятием стружки и режимы резания, обеспечивающие наиболее
выгодные условия резания с позиций качества обработки поверхности и
производительности процесса.
Процесс резания резцом, преимущественно металлических (изотропных)
материалов, путем снятия стружки предусматривает следующие методы обработки
(по типу применяемого оборудования):
точение, сверление, фрезерование,
строгание, шлифование и другие.
Для осуществления процесса снятия стружки режущий инструмент на станке
должен быть ориентирован по отношению к обрабатываемой заготовке и иметь
оптимальные углы заточки, обеспечивающие точность и качество обработанной
поверхности (рис. 1.3).
-6Рис. 1.3 Схема резания
проходным резцом, углы резца
в секущих плоскостях и в
плане, а также координатные
плоскости резца.
α– главный задний угол;
γ- передний угол; β – угол
заострения;
δ
–
угол
резания;α1- вспомогательный
задний
угол;
γ1вспомогательный
передний
угол; φ – главный угол в плане;
φ1 – вспомогательный угол в
плане; ε – угол при вершине
резца в плане; λ – угол наклона главной режущей кромки; 1- главная секущая
плоскость; 2 – вспомогательная секущая плоскость; 3 – основная плоскость; 4 –
плоскость резания;5-рабочая плоскость.
Углы заточки и плоскости резца подробно рассматриваются на лабораторном
занятии.
К элементам режима резания относится: - глубина резания, t, мм
t=
D−d
2
(1.1)
это толщина слоя материала, срезаемая за один проход резца; - подача (S,
мм/об) – величина перемещения резца за один оборот заготовки. Подача бывает
продольная (Sпр), поперечная (Sпп) и резьбонарезная (SР). Скорость резания (V,
м/мин) – окружная скорость перемещения заготовки относительно резца.
V=
πDn
1000
(1.2)
где D – диаметр обрабатываемой заготовки, n – частота вращения, мин –1.
В процессе резания при токарной обработке срезается слой материала,
поперечное сечение которого имеет форму параллелограмма, основание которого
равно подаче S, и высота - глубине резания t. В этом случае слой материала,
срезаемый за 1 мин, определится из следующей зависимости:
Q=L·S·V ,см3/мин
(1.3)
Время, затрачиваемое на изменение формы и размеров заготовки, называется
основным или машинным временем и определяется по формуле:
To=
Li
,мин
n⋅S
(1.4)
где i- число проходов резца; L – расчетная длина обработки, мм;
L = l + l1 + l2; l – длина резания, l1 - длина врезания, l2 – длина перебега.
-74. В основе физики процесса резания лежит образование стружки, которой
предшествует упругое и пластическое деформирование материала резцом силой Р.
Резание (снятие стружки) можно представить как процесс местного сжатия и
сдвига металла резцом с последующим образованием стружки. Деформация
обрабатываемого материала при резании происходит следующим образом: резец
под действием силы резания производит сжатие впереди лежащих слоев металла. В
результате происходит сдвиг элементов срезаемого слоя под углом сдвига ψ и
образование стружки. При резании различных материалов образуются следующие
типы стружек (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Типы
стружек:
а)-сливная;
б)-скалывания;
в)-надлома.
Обычно сливная стружка образуется при обработке пластичных
металлов, а скалывания – упругих. Стружка надлома обычно наблюдается при
обработке хрупких материалов.[1-3]
Характер и степень деформации металла при образовании стружки
определяет все физические процессы, происходящие в зоне резания. К ним
относятся: наклеп металла, усадка стружки, нарост, тепловые явления, износ
режущих инструментов, вибрации, качество поверхности и др.
Наклёп – это деформированная зона металла в процессе резания. Она
повышает ее твердость, снижает относительное удлинение, ударную вязкость (рис.
1.5).
Рис.1.5 . схема образования наклепа при
резании. β-угол сдвига; θ-угол текстуры.
В процессе резания наибольшее
упрочнение (наклеп) получает стружка.
Усадка стружки образуется в результате
пластической деформации (сдвига) в зоне
резания. При этом длина стружки (L1)
получается меньше длины, пройденной
резцом (L) (рис. 1.6).
Рис 1.6 Схема образования усадки стружки.
L1 – длина стружки;
L – путь пройденный резцом;
S – подача; а - толщина стружки.
-8Для оценки деформации пользуются коэффициентом усадки стружки,
который определяется по формуле:[1]
K=
L
>1
L1
(1.4)
Нарост образуется при некоторых условиях резания. На передней
поверхности резца около режущей кромки налипает обрабатываемый материал,
образуя нарост. Причиной образования нароста служат два фактора: наличие
высоких давлений и зоны «нулевых» скоростей или «застойной зоны» (рис. 1.7).
Рис.
1.7.
Схема
образования нароста:
V-скорость
вращения
заготовки;
V1-скрость
схождения стружки;
α-главный задний угол;
задний
угол
α1измененный наростом; βугол заострения;
β1- угол заострения,
измененный наростом.
Тепловые явления в зоне резания являются важнейшим фактором,
обуславливающим многие физические явления. Работа, затрачиваемая на процесс
резания почти полностью переходит в тепло (1.5):
А = Аупр + Апл + Атр
(1.5)
где Аупр – работа сил упругого деформирования; Апл – работа сил пластического
деформирования; Атр – работа сил трения по передней и задней плоск.
Количество теплоты, образующейся в результате резания, составляет (1.6):
-9Q = Pz ·V/4190
(1.6)
где Pz – тангенциальная сила резания (Н); 4190 – механический эквивалент
теплоты.
Образуемая теплота распределяется между стружкой (50-80%), резцом (4010%) и обрабатываемой заготовкой (9-3%). Около 1% теплоты рассеивается в
окружающую среду, вследствие излучения. Теплота, выделяющаяся в зоне резания,
оказывает большое влияние на значение коэффициента трения, который, в свою
очередь, влияет на силу трения, точность обработки, наростообразование, износ
инструмента и другие факторы.
На величину температуры в зоне резания оказывают влияние следующие
факторы: физико-механические свойства обрабатываемого материала, режим
резания, геометрические параметры инструмента. Из геометрических параметров
инструмента наибольшее влияние на температуру резания оказывают: угол резания
δ, главный угол в плане φ, радиус округления вершины резца r. С увеличением угла
резания и главного угла в плане температура в зоне резания увеличивается, а с
ростом радиуса округления уменьшается. Применение СОЖ уменьшает
температуру в зоне резания.[2]
На практике применяют следующие основные методы контактного и
бесконтактного определения температуры: естественными, искусственными,
полуискусственными
термопарами,
калориметрический,
термокрасок,
фотоэлектрические, оптические и другие (рис. 1.8).
Рис.
1.8.
Схемы
измерения
температур
в
зоне
резани:
а) искусственной
термопарой;
б) естественной термопарой.
Физическая
картина
износа
инструмента весьма сложна (рис.1.9)
Рис. 1.9 Кривая износа резца во
времени.
Существует три основных вида износа
инструмента:
абразивный,
адгезионный
и
диффузионный.[2]
- 10 Абразивный износ – твердые структуры обрабатываемого материала наносят
тонкие царапины на режущем инструменте по передней и задней поверхностям.
Адгезионный износ – за счет сил молекулярного сцепления происходят
вырывы элементов режущего инструмента.
Диффузионный износ - частицы инструментального материала переходят в
стружку и обрабатываемую поверхность, изменяя структуру поверхностного слоя
заготовки и приводит к износу режущего инструмента.
При резании возникают колебания системы (вибрации). Они оказывают
вредное влияние на качество обработки.
Вибрации разделяются на два вида: вынужденные и автоколебания. Для
уменьшения вибраций следует стремиться к созданию более жесткой системы
СПИД. Кроме того, применяются разного рода гасители и другие устройства.[3]
Качество обработанной поверхности характеризуется следующими
свойствами поверхностного слоя (рис. 1.10).
Качество поверхности
Геометрические
характеристики
волнистость
Физико-механические
характеристики
структура
шероховатость
микротвердость
отклонения формы
остаточные напряжения
Рис. 1.10. Основные свойств обработанной поверхности.
Отклонение геометрических характеристик можно отнести к следующему
(рис. 1.11).
а)
б)
в)
- 11 Рис.1.11 Геометрические характеристики поверхности: а)–волнистости
(шаговые характеристики); б) – шероховатости; в)- волнистости(высотные
характеристики)
h,h1,h2 -отклонения высотных характеристик(отклонения формы, волнистости
и шероховатости) на базовой длине L.
Если
L
h
> 1000мкм - отклонения формы (нормируются квалитетами).Всего
17 квалитетов; 1000 ≥
L
≥ 40 - отклонения волнистости;
h
L
< 40 – отклонения
h
шероховатости поверхностей.
Шероховатость поверхности оценивают средним арифметическим
отклонением Ra на базовой длине L , либо высотой неровности профиля Rz взятых
по десяти максимальным точкам профиля.
На чертеже шероховатость обозначается:
- обработка не нормируется;
- обработка поверхности только резанием;
- поверхность полученная путем литья, штамповки, прокате и другими
методами.
Все поверхности по шероховатости разделяются на 14 классов. Классы
шероховатости 6-14 разделяются на три разряда.
В процессе резания происходит механическое внедрение и молекулярное
притяжение режущего и обрабатываемого поверхностей. Повышение
микротвердости при механической обработке способствует уменьшению
внедрения и контактного схватывания, и, следовательно, увеличивает
износостойкость
трущихся
поверхностей.
При
трении
оптимальная
микротвердость поверхностей зависит от конкретных условий изнашивания.
Наличие наклепа повышает эксплуатационные свойства трущихся деталей
при небольших скоростях и давлении.
Остаточные напряжения, созданные механической обработкой, снимаются в
начальный период изнашивания, а затем в процессе трения возникают остаточные
напряжения сжатия, которые не зависят от остаточных напряжений в
поверхностном слое детали, действовавшие до начала трения.(рис. 1.12)
Структура поверхностного слоя может изменяться под воздействием
режимов резания. При обработке заготовок в результате действия высоких
температур в поверхностном слое могут возникнуть структурные изменения,
которые приводят к вторичной закалке и образованию поверхностного слоя
повышенной твердости, по сравнению с основной структурой металла. Обработка
- 12 закаленных металлов в поверхностном слое может сопровождаться отпуском
различной степени.
Вопросы и задания для самоконтроля
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Дать общую классификацию материалов и процессов резания.
Привести краткую справку об истории развития науки о резании материалов.
Назовите основные виды стружки.
Какие явления относятся к физическим в процессе резания?
Что называют наклёпом обработанной поверхности?
Какое влияние оказывает нарост на процесс резания и качество обработанной
поверхности?
7. Дать определение усадки стружки и написать расчётную формулу
определения коэффициента усадки стружки.
8. Перечислите источники теплоты при резании.
9. Какое влияние оказывает теплообразование на процесс резания?
10. Какие процессы изнашивания инструмента имеют место при резании?
11. Какие факторы влияют на стойкость инструмента?
12. Какие характеристики определяют качество обработанной поверхности?
13. Какое назначение СОТС при резании?
14. Назовите пути снижения вибраций при резании.
15. Какие элементы относятся к режимам резания?
- 13 ЛЕКЦИЯ № 2
КИНЕМАТИКА РЕЗАНИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
План.
Составляющие кинематики процесса резания.
Сила и мощность резания при точении.
Стойкость инструментов и скорость резания.
Методика назначения режимов резания при точении.
Техническое нормирование станочных операций. Штучное время и ее составляющие.
Обрабатываемость материалов и критерии ее оценки.
Кинематика резания изучает принципиальные схемы, силу и скорость резания,
а также характер и траекторию движения инструмента. Совокупность траекторий
определяет очертания внешнего контура поверхности.
Принципиальные кинематические схемы резания предложил профессор
Г.И.Грановский.
Одной из важных характеристик кинематики резания является сила резания.
Знание сил резания необходимо для расчета на прочность узлов станка, инструмента, приспособлений и при расчете на жесткость технологической системы.[1-3]
При срезании слоя металла на передней поверхности действуют силы нормальные, тангенциальные, а также трения. Их можно свести к одной равнодействующей,
которая зависит от прочностных характеристик обрабатываемого материала, сечения среза, а также от углов резания, трения и сдвига. Таким образом сила резания
складывается из сил упругого и пластического деформирования и сил трения: сходящей стружки о переднюю поверхность и задней поверхности резца об обрабатываемую заготовку. Схема сил, действующих на резец при свободном резании, представлена на рис. 1.1.
Рис. 2.1. Схема сил, действующих
на резец при точении.
1 – заготовка, 2- резец.
Рz – тангенциальная составляющая
сила резания, преодолевающая сопротивление материала при упругом, пластическом деформировании
и разрушении (образовании стружки).
Ру – радиальная составляющая силы
резания, преодолевающая упругие
деформации заготовки в горизонтальной плоскости.
Рx – осевая составляющая силы резания, преодолевающая силы продольной подачи
резца. Рp – равнодействующая составляющих сил резания.
Между составляющими силами резания существует, примерно, следующее
соотношение:
- 14 Pz : Py : Px = 1 : (0,55 – 0,4) : (0,45 – 0,25)
(2.1)
Равнодействующая составляющих силы резания определяется следующей зависимостью:
P=
Рz2 + Рy2 + Рx2
(2.2)
Приблизительно Рp = 1,1Pz при свободном точении. При наружном точении
и растачивании резцами из быстрорежущих сталей величина Pz(H) определяется из
следующей эмпирической зависимости:
Pz = 10Ср·t·S0.75
(2.3)
где Ср – коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала и условия работы.
При резании резцами, оснащенными пластинами твердого сплава, формула
2.3 имеет следующий вид:
Pz = 10Cp ·tx ·Sy·Vn
(2.4)
где x, y, n – показатели степени, выбираемые по справочным таблицам режимов
резания [1].
Уменьшение сил резания при скоростях 50-100 м/мин и выше объясняется
возрастанием температуры в зоне резания, что приводит к уменьшению коэффициента трения, а также понижению прочностных характеристик обрабатываемого материала.
Мощность резания можно рассчитать по следующей формуле [2].
Py ⋅S поп
Р х ⋅ S пр
Р z ⋅V
+
N=Nz + Ny + Nx=
1020 ⋅ 60 + 1020 ⋅ 60 ⋅ 1000 1020 ⋅ 60 ⋅ 1000
(2.5)
При продольном точении Snon = О, поэтому Ny = О. Величина Nx мала, так
как скорость продольной подачи значительно меньше скорости резания.
Величиной Nx можно пренебречь. Тогда:
Pz ⋅V
N=
1020 ⋅ 60
Мощность электродвигателя станка Ncm ≥
(2.6)
N
η
,
где η =0,75-0,8-КПД станка
Крутящий момент на шпинделе станка можно определить по формуле:
- 15 Мкр=
Рz ⋅ D
2
(2.7)
где D – диаметр обрабатываемой заготовки (мм).
Среднее давление резания определяется из зависимости:
Рz
Pcp=
t ⋅S
(2.8)
Существует большое количество приборов для измерения сил резания, называемые динамометрами. В зависимости от количества измеряемых составляющих
силы резания динамометры бывают: одно-, двух- и трехкомпонентными.
По принципу действия динамометры подразделяются на электрические, механические и гидравлические. Каждый динамометр состоит из устройства, служащего для закрепления резца и разложения силы резания на составляющие, датчиков для преобразования измеряемых составляющих силы резания пропорционально механическому перемещению в силу электрического тока, электрическую емкость или давление жидкости и т.д. и регистрирующую аппаратуру.
Наибольшее применение имеют электрические динамометры. К ним относятся: емкостные (конденсаторные), индукционные, пьезоэлектрические с проволочными датчиками сопротивления.
Сходные конструкции динамометров используют и при измерении сил резания при сверлении, фрезеровании и других видах обработки.
Помимо экспериментальных способов измерения сил возможно использование теоретических зависимостей расчета сил резания. Однако для ее использования
необходимо иметь данные целого ряда факторов. Потому чаще всего используют
теоретико-экспериментальный способ или способы обработки экспериментальных
данных. Среди них графо-аналитический и аналитический (наибольших квадратов)
[3,4]. Подробно с графо-аналитическим способом вас познакомят на лабораторном
занятии.
Периодом стойкости режущего инструмента называется время резания новым или восстановленным режущим инструментом от начала резания до его отказа.
Под временем резания понимается интервал времени, в течение которого инструмент находится в непосредственном контакте с обрабатываемой поверхностью.
Наибольшее влияние на стойкость режущего инструмента оказывает скорость резания. Между скоростью резания и периодом стойкости инструмента при
точении (при постоянстве прочих факторов) существует следующая зависимость:
Сv
V=
T m
(2.9)
где Т – период стойкости резца, мин; Cv – постоянный коэффициент, зависящий,
главным образом, от качества обрабатываемой поверхности и инструмента; m –
показатель степени, зависящий от относительной стойкости инструмента. Так, при
- 16 m = 1/8 – для резцов из быстрорежущих сталей; m = 1/5 – то же из твердых сплавов; m = 1/2 – то же из минералокерамики.
Скорость резания оказывает решающее влияние на производительность процессов обработки, однако с ее увеличением возрастает и температура в зоне резания, увеличивается износ резцов и, следовательно, уменьшается стойкость инструмента. Это ведет к увеличению затрат на инструмент, т.е. увеличивает стоимость
обработки. Поэтому скорость резания выбирается исходя из требований обеспечения высокой производительности обработки при наименьших затратах.
В нормативных материалах период стойкости резцов устанавливается равным 60 мин, фрез – 60-400 мин, свел – 6-210 мин. Эти периоды стойкости инструмента соответствуют наименьшим затратам на обработку.
К режимам обработки относится: скорость резания (V), подача (S) и глубина
резания (t).
Глубину резания следует брать равной припуску на обработку на данной
операции. Если припуск нельзя снять за один проход, число проходов должно быть
возможно меньшим. При чистовом точении (до 5 класса шероховатости) глубину
резания берут в пределах 0,5-2 мм. Для получения при точении 6-7 класса шероховатости поверхности глубину резания назначают в пределах 0,1-0,4 мм.
После назначения глубины резания следует выбрать минимальную технологически допустимую подачу (с учетом класса шероховатости обработанной поверхности, мощности и прочности станка, жесткости обрабатываемой заготовки и
прочностью резца). При чистовой обработке подача обычно ограничивается классом шероховатости обрабатываемой заготовки. Выбор подачи осуществляется по
справочным данным режимов резания.[1,2]
Назначение скорости резания производится после того как выбрана глубина
резания и подача. Скорость рассчитывается по формуле или определяется по справочным таблицам с учетом всех необходимых поправочных коэффициентов:
Сv
(2.10)
V= m x
T ⋅t ⋅ S y
По полученной расчетом скорости резания определяют расчетную частоту
вращения nv(мин –1) шпинделя станка по формуле (2.11).
1000V
nv=
π ⋅ D , мин
(2.11)
где D – наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, мм.
По расчетной частоте вращения (nv) определяют ближайшую меньшую или
равную частоту вращения шпинделя, имеющуюся в паспорте станка. Затем вычисляют скорость резания по формуле:
V=
π ⋅D⋅n
1000
,м/мин
(2.12)
- 17 По этому значению частоты вращения, выбранный режим проверяют по
мощности резания. Мощность, затраченная на резание, должна быть меньше или
равна мощности на шпинделе:
N m=
N рез
η см ⋅ К п , кВт
(2.13)
где Кn = 1,3-1,5 – коэффициент перегрузки станка; Nm – мощность электродвигателя; η ст − КПД станка.
Если расчетная мощность резания окажется больше мощности на шпинделе,
то скорость резания должна быть уменьшена.
Выбранный режим резания проверяют по крутящему моменту. Крутящий
момент резания должен быть меньше или равен крутящему моменту на шпинделе,
т.е. Мр ≤ Мшп , Нм
Кроме того, выбранный режим проверяют по прочности механизма подачи
станка, пластинке твердого сплава и державке резца.
При чистовой обработке режим проверяют по шероховатости обработанной
поверхности.
Производительность проверяется по машинному времени. Минимуму машинного времени соответствует более производительные режимы обработки:
Тм =
L⋅i
n⋅S
,мин
(2.14)
где L – длина обработки, мм; i - число проходов.
Учитывая, что стойкость инструмента должна быть постоянной, необходимо
соблюдать следующие соотношения: при условии постоянства стойкости инструмента машинное время составляет:
xv
yv
A⋅t ⋅ S
Тм =
Cv ⋅ ⋅ t ⋅ S
(2.15)
где А – текущая постоянная величина.
Для достижения минимального машинного времени при сохранении постоянной стойкости режущего инструмента необходимо соблюдение следующей последовательности при назначении режимов резания:
- выбрать режущий инструмент с необходимыми характеристиками;
- установить глубину резания;
- определить подачу;
- определить скорость резания, которая при заданных t и S обеспечивает
требуемый период стойкости инструмента.
В основу всех работ по расчету производительности труда лежит техническое нормирование – определение нормы времени, т.е. времени, в течение которого
рабочий должен выполнять заданную ему работу.
- 18 Технической нормой штучного времени называется время, установленное
для выполнения данной операции при определенных организационно-технических
условиях и наиболее эффективном использовании всех средств производства и передового опыта.
Общую норму штучного времени (мин) можно записать:
Тшт = Тm + Тв + Тобсл + Тот
(2.16)
где Тв - вспомогательное время (управление станком – снятие и установка заготовки, отвод и подвод инструмента, контроль заготовки и т.п.); Тобсл - время обслуживания рабочего места (смазка, уборка станка, заточка инструмента и т.п.); Тот –
время на отдых и естественные надобности.
Основными составляющими штучного времени является основное и вспомогательное время. Сумма основного и вспомогательного времени называется оперативным временем. Время на обслуживание рабочего места и время на личные надобности берут в процентах от оперативного времени. Время обслуживания рабочего места – 3-8%, а на личные надобности – 4-9%.
В единичном и серийном производствах имеется понятие штучнокалькуляционного времени (Тшк):
Т шк
Т пз
= Тш +
n
(2.17)
где Тпз – подготовительно-заключительное время (время на переналадку станка,
смену и наладку приспособления и инструмента, ознакомление с чертежом детали
при переходе от обработки одной партии заготовок к другой); n – число заготовок в
партии.
Производительность на данной операции определяют числом деталей, изготовленных в единицу времени. Производительность на данной операции определяют по формуле:
60 ⋅ 8
П=
Tшк
(2.18)
Основное время в машиностроении составляет от 30 до 75% штучного времени. Поэтому всегда ищут пути сокращения основного времени.
Сократить основное или машинное время можно за счет уменьшения числа
проходов i для чего можно уменьшить величину припуска и увеличить глубину резания. Можно также увеличить частоту вращения n обрабатываемой заготовки, что
влечет за собой увеличение скорости, и увеличить подачу S.
Способность металлов поддаваться резанью принято называть обрабатываемостью. Основными показателями обрабатываемости могут быть: сопротивление
резанию, скорость резания при соответствующей стойкости инструмента, шерохо-
- 19 ватость обработанной поверхности, легкость отвода стружки, силы резания и мощность.
Для оценки обрабатываемости можно использовать и другие показатели.
Методы для определения обрабатываемости основаны на определении стойкости режущего инструмента. Применяют также метод ускоренной торцовой обточки, температурный метод, метод радиоактивных изотопов.
Около 80% изношенных деталей восстанавливают различными методами автоматической наплавки и «осталиванием».
Однако обработка наплавленных и осталенных деталей представляет значительную трудность, вследствие особых свойств наплавленного слоя.
При точении точных поверхностей используют инструменты с напайками из
твердого сплава или сверхтвердых материалов. Геометрия режущего элемента и
режим обработки выбирают согласно справочным данным (t = 0,2-0,1; V = 50-70
м(мин).
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Какие составляющие входят в кинематику резания?
2. Какие силы действуют на лезвие инструмента со стороны обрабатываемого
материала?
3. Как влияет скорость деформации стружки при резании на процесс стружкообразования?
4. Какие физические факторы влияют на силы, действующие на передней и
задней поверхности и в плоскости сдвига, и каким образом это проявляется?
5. В каких случаях выгодно работать с большими подачами и с меньшими толщинами среза, и почему?
6. В каких случаях и почему можно ожидать более высокий уровень сил резания при обработке углеродистых, легированных сталей, чугунов, алюминиевых сплавов?
- 20 Лекция № 3
1.
2.
3.
4.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ
План
Классификация, нумерация и движения в МРС.
Приводы и передачи в МРС.
Основные механизмы, применяемые в станках.
Эксплуатация МРС.
По классификации, разработанной ЭНИМС (Экспериментальный научноисследовательский институт металлорежущих станков), все станки делят на группы
(9 групп), которые в свою очередь подразделяют на типы (8 типов).
По группам станки разделяются на: токарные, сверлильные и расточные, шлифовальные и доводочные, комбинированные (электро, физико-химические), зубо и
резьбообрабатывающие, фрезерные, строгальные, долбежные и протяжные, отрезные,
разные. Каждая группа подразделяется на типы. Например, группа токарных станков
состоит из следующих типов: токарные автоматы и полуавтоматы одношпиндельные,
то же многошпиндельные, револьверные, сверлильно-отрезные, карусельные, токарные лобовые (винторезные, универсальные), многорезцовые, специализированные,
разные.[4]
При нумерации каждый металлорежущий станок получает цифровой трехзначный
или четырехзначный шифр. Часто к цифрам добавляются буквы, обозначающие дополнительные характеристики станка. Первая цифра обозначает группу, вторая – тип,
третья или третья и четвертая – типоразмер станка. Прописные буквы после первой
цифры указывают на модификацию станка, а после всех цифр – на их модернизацию.
Рассмотрим несколько примеров: станок модели 16К20 – (цифра 1 обозначает, что
станок относится к токарной группе, цифра 6 – тип станка (токарно-лобовой или винторезный), К – модификация станка или шифр завода-изготовителя, 20 – основная
характеристика станка – высота центров в см.).
Приведенная нумерация станков является условной, так как в последние годы каждая республика имеет свои обозначения станков, часто не соответствующие приведенной.
В зависимости от степени специализации станки подразделяются на универсальные, специализированные и специальные. Универсальные станки служат для выполнения различных операций при обработке заготовок многих наименований. Специализированные – для обработки заготовок разных размеров одного наименования.
Специальные станки – для обработки одной определенной заготовки.
Обозначение специальных и специализированных станков ведется по-другому, а
некоторые отечественные заводы нумеруют станки по классификации зарубежных
фирм, с которыми сотрудничают по созданию нового оборудования.
Степень точности станков бывает нормальной (Н), повышенной (П), высокой (В)
и особо высокой (А или С).
По массе и габаритам станки бывают легкие (до 1 т), средние (до 10 т) и тяжелые
(более 10 т).
- 21 Движения в МРС подразделяются на основные (рабочие) и вспомогательные. К
основным движениям относят главное движение резания и движения подачи. Главным движением называют прямолинейное, поступательное или вращательное, движение заготовки или режущего инструмента, происходящее с наибольшей скоростью
в процессе резания. При вращательном движении оно характеризуется частотой вращения (n, мин –1):
n=
1000 ⋅ V
,
π ⋅D
(3.1)
а при поступательном движении – частотой двойных ходов в мин
дв.ход./мин):
nдв. ход / мин =
1000 ⋅ V
2⋅ L
(n,
(3.2)
где V – скорость резания, м/мин; D – диаметр обрабатываемой поверхности, мм; L –
длина резания с учетом врезания и перебега.
Движение подачи – относительное движение инструмента вдоль обрабатываемой поверхности со скоростью, обеспечивающей формообразование поверхности.
Подачу определяют как величину перемещения инструмента за один оборот (двойной ход) заготовки или инструмента, или перемещение в единицу времени.
Вспомогательные движения необходимы для подготовки процесса резания,
обеспечения последовательной обработки нескольких поверхностей. К вспомогательным относят движения: для наладки станка на заданные режимы резания, управления станком в процессе работы, для подачи и закрепления прутка или штучных заготовок, для закрепления заготовки и освобождения рабочих органов станка. Вспомогательные движения можно выполнять как вручную, так и автоматически.
Совокупность механизмов, передающих движение от двигателя к рабочему органу с танка называется приводом.[1,2]
Существуют индивидуальные и многомоторные приводы, которые характеризуются наличием одного или нескольких электродвигателей, каждый из которых
приводит в движение определенный орган станка. Движение от двигателя к рабочему органу осуществляется с помощью передач. Передачами называются механизмы,
преобразующие или передающие движение от одного узла станка к другому.
Передачи бывают: зубчатые цилиндрические, конические, ременные, цепные,
червячные, винтовые. Рассмотрим некоторые из них.
Основной характеристикой передачи является ее передаточное отношение (отношение частот вращения ведущего к ведомому звену)(3.3):
u =
ω1
n1
=
ω2
n2
(3.3)
где n1,ω1 – частота вращения (угловая скорость) ведущего звена передачи; n2, ω2 – то
же ведомого звена передачи.
Часто в кинематических расчетах используется понятие передаточного числа,
как величины обратной передаточному отношению (3.4):
- 22 -
u′ =
n2
ω2
=
n1
ω1
(3.4)
1. Зубчатая цилиндрическая передача. (рис.3.1) Это передача вращения между
параллельными валами.
n1 – частота вращения ведущего вала;n2 - частота
вращения ведомого вала; Z1 – число зубьев ведущего вала; Z2 - число зубьев ведомого вала; | ведущий вал; || - ведомый вал
Ведомый вал вращается в противоположную сторону по отношению к ведущему валу.
Передаточное отношение зубчатой передачи равно:
u =
Z2
Z1
(3.5)
Рис.3.1.Зубчатая передача.
а частота вращения ведомого вала будет:
n2 =
n1 ⋅ Z 1
Z2
(3.6)
2. Зубчатая цилиндрическая с паразитным колесом.(рис.3.2) Это передача вращения между параллельными валами. Ведомый (III)
вал вращается в ту же сторону, что и ведущий (I).
u =
Z3
Z1
;
n1 ⋅ Z 1
Z3
Z1
u′ =
Z3
n3 =
а передаточное число
;
(3.7)
Рис.3.2.Зубчатая передача с паразитным колесом.
3. Зубчатая коническая передача (рис.3.3) – передача вращения между перпендикулярными валами.
Рис.3.3.Зубчатая коническая передача
- 23 -
u =
u′ =
Z1
Z2
;
n2 =
n1 ⋅ Z 1
Z2
;
(3.8)
Z2
Z1
(3.9)
4. Ременная передача (рис.3.4) используется для передачи вращения между параллельными валами.
n1 ⋅ D
d
D2
u =
d1
n =
;
u′ =
d
D2
;
(3.10)
(3.11)
Рис.3.4.Ременная передача.
5. Цепная передача (рис.3.5)используется для передачи вращения между параллельными валами с большими крутящими моментами.
n1 ⋅ Z 1
Z2 ;
Z2
Z1
′
u =
u
=
Z1 ;
Z2
n =
(3.12)
Рис.3.5.Цепная передача.
6. Червячная передача (рис.3.6)служит для передачи вращения между пересекающимися валами. В червячной передаче ведущим является червяк, ведомым – червячное
колесо.
n2
n ⋅К
= 1
Z чк
u '=
Z чк
К
;
u =
К
Z чк
;
где К – число заходов червяка
Рис.3.6.Червячная передача.
;
(3.13)
(3.14)
- 24 7. Реечная передача (рис.3.7)служит для преобразования вращательного движения
реечного колеса в поступательное перемещение рейки.
V = n pk ⋅ π ⋅ m ⋅ z pk , мм/мин
(3.15)
Рис.3.7.Реечная передача.
8. Винтовая передача (рис.3.8)служит для преобразования вращательного движения
винта в поступательное движение стола.
V=
nхв
t хв ⋅ K хв
;
(3.16)
где t - шаг ходового винта, мм; Кхв – число
заходов ходового винта; n хв – число оборотов
ходового винта.
Коробка
скоростей
–
наиболее
распространенный набор механизмов, примеРис.3.8.Винтовая передача.
няемый в приводе станков. Эти механизмы дают возможность в определенных пределах изменять скорость рабочего органа станка. Частоту вращения шпинделя при
наличии коробки скоростей изменяют при помощи переключения зубчатых колес,
т.е. изменяя передаточное отношение в цепи от вала привода к шпинделю.
Для определения общего передаточного числа кинематической цепи необходимо перемножить между собой передаточные числа отдельных передач, входящих в
эту кинематическую цепь.
Частота вращения последнего ведомого вала равна частоте вращения ведущего
вала, умноженной на общее передаточное число кинематической цепи.
nшп = n' эл.дв ⋅ u 'общ
где
(3.17)
u'общ = u'1−2 ⋅u'2−3⋅u'3−4......u'n−1
Крутящий момент на шпинделе (Мшп) зависит от передаточного числа кинематической цепи от электродвигателя к шпинделю.
Мшп = Мэ/дв n/u/общ
(3.18)
- 25 /
где u общ – общее передаточное число кинематической цепи от электродвигателя к
шпинделю; nдв – частота вращения вала электродвигателя.
Частота вращения шпинделя изменяется в определенном диапазоне, обеспечиваемом коробкой скоростей. В отечественном машиностроении стандартизирован
ряд часто вращения, образующий геометрическую прогрессию.
ϕ=
z −1
Dp
(3.19)
где φ – знаменатель геометрического ряда; z –число членов прогрессии; Dp – диапазон регулирования. D p =
nmax
nmin
Для получения различных величин подач применяют механизмы коробки подач. Подачи подразделяются на непрерывные и прерывистые. Кинематическая цепь
механизма подач соединяется с тем органом станка, в связи с движением которого
подача рассчитывается. В токарных станках подача рассчитывается на один оборот
шпинделя и механизм подачи соединяется со шпинделем. Во фрезерных станках, где
основной подачей является подача в минуту, механизм подачи получает движение
непосредственно от электродвигателя.
Чаще всего величину подачи изменяют ступенчато зубчатыми коробками подач, сменными колесами, регулированием храпового механизма или бесступенчато
при помощи гидропривода.
В коробках подач используются механизмы для передачи значительных мощностей, например, механизм с накидным колесом и
механизм с вытяжной шпонкой.
Рис 3.9 Механизм с накидным колесом.
u'кн =
Zn Z6
⎯
⎯→n1
Z6 Z7
- для модульной и питчевой
резьб;
u'кн =
Z7 Z6
⎯
⎯→n1
Z6 Zn
дюймовых резьб;
(3.20)
-
для
метрических
и
(3.21)
Механизм с накидным колесом (рис 3.9) применяют в коробках подач токарных станков. Его еще называют механизмом Нортона по имени изобретателя.
Механизм с вытяжной шпонкой применяется в сверлильных станках (рис. 3.10).
Рис.3.10 Механизм с вытяжной шпонкой.
- 26 -
z
z
n2=
z
z
z
z
z
z
1
5
2
=n2
(3.22)
6
3
7
4
8
Храповый механизм (рис. 3.11) служит для осуществления прерывистой подачи и
применяется в строгальных станках.
Рис. 3.11 Храповый механизм
u'хк =
а
;
Z хк
(3.23)
где а – число зубьев перемещения
собачки (1).
Собачка
сообщает
вращательное
движение храповому колесу.
При движении справа налево она через зубья храпового колеса поворачивает
его на некоторый угол. При обратном ходе собачка проскальзывает по зубьям храпового колеса, не вращая его.
Мальтийский механизм (рис. 3.12) применяют для периодического поворота
через длительные отрезки времени револьверных головок шпиндельных барабанов
станков и др.
Рис. 3.12 Мальтийский механизм.
При вращении кривошипа (Кр) палец заходит в паз
мальтийского креста (Мк) и за каждый оборот
поворачивается 1/z часть.
u' мм =
1
;
Z хк
(3.24)
где z – число пазов мальтийского креста
Механизм обгона (рис.3.13) применяется в современных моделях токарных и фрезерных станков для
- 27 выбора из двух вращательных движений более быстрого. Позволяет не выключая
рабочей подачи (медленной) включать ускоренную подачу без поломки механизмов
станка.
Рис. 3.13 Механизм обгона.
Механизм обгона состоит из фигурного диска 1 с вырезами, в
которых размещены ролики 3, прижимаемые пружинами к внутренней поверхности кольца 2. При медленном вращении диска 1 по часовой стрелке происходит рабочий ход (Рх), ролик 3 заклинивают
кольцо 2, т.е. фигурный диск 1 и кольцо 2 вращаются вместе. При
включении ускоренной подачи (холостой ход Хх) кольцо 2, вращаясь
ускоренно, обгоняет фигурный диск 1, расклинивая ролики, и
разъединяет кольцо 2 и диск 1, т.е. диск 1 и кольцо будут вращать независимо друг
от друга с различной частотой вращения.[4]
С помощью механизмов бесступенчатого регулирования скоростей можно
наиболее точно установить необходимые скорость резания и величину подачи. Механизмы бесступенчатого регулирования скоростей бывают электрические, механические и гидравлические.
Электрический механизм представляет собой шунтовый электродвигатель постоянного тока. Регулирование частоты вращения производится при помощи реостата, включенного в цепь возбуждения. Диапазон регулирования для бесступенчатого
привода определяется по формуле:
Dp =
nmax
≈ 3...6
nmin
(3.25)
Недостаток такого привода в том, что для его питания необходим постоянный
ток.
Механические вариаторы бывают различного типа. На рис. 3.14 показана схема
вариатора В.А.Светозарова. В этой конструкции
передаточное отношение изменяется в пределах наклона
промежуточных роликов, при повороте которых
изменяются радиусы точек контакта роликов с ведущей 1
и ведомой 2 чашками, закрепленными на валах I и II.
Если ведущим является вал I, то вал II вращается
более медленно. Тогда
n1 =
Dmax
D
⎯
⎯→n2 или n1 = min ⎯
⎯→n2
Dmin
Dmax
(3.26)
Рис.3.14 Вариатор Светозарова.
При использовании гидравлического привода возможно бесступенчатое регулирование скорости в широком интервале и передача значительных сил, при этом
- 28 исключается опасность поломки системы из-за перегрузки, а также упрощается применение автоматизации управления.
Гидропривод состоит из насосов, механизмов перемещения рабочих органов
станка, механизмов управления, регулирующих механизмов.
Гидропривод применяют преимущественно для осуществления прямолинейного движения, реже – вращательного. В шлифовальных, многошпиндельных станках
гидропривод применяют в качестве механизма подачи. Для привода главного движения гидропривод применяют в протяжных станках, хонинтовальных и поперечнострогальных.[1]
Скорость продольного перемещения стола в гидроприводе можно определить
по формуле:
V = 109 ⋅
П
η0
F
(3.27)
где П- производительность насоса, м3/ мин; F- площадь поршня рабочего цилиндра,
мм2; η0- объемный КПД системы.
В гидроприводах используют масла: веретенное 3, турбинное Л и индустриальное 30.
Задачей правильной эксплуатации станков является получение от них наибольшей производительности при обеспечении долговечности и точности. Наибольшую производительность от станка получают в результате правильного выбора и
высокого качества режущего инструмента, назначения необходимых режимов резания, правильной наладки станка.
Производственная эксплуатация станков включает мероприятия по чистке и
смазыванию станков, выбору СОЖ, сбору и восстановлению отработанных смазочных и отработанных материалов.
Паспорт станка позволяет правильно использовать станок по всем его показателям и назначению.
Для предотвращения механических повреждений в процессе транспортировки
станков, а также попадания влаги и пыли, станки упаковывают в деревянные ящики,
обеспечивающие надежную неподвижность их установки. При распаковке и установке станков в цехе необходимо предусмотреть следующее:
- обеспечить наименьший путь движения обрабатываемой заготовки;
- соблюдать минимальные затраты производственной площади;
- расстояние между станками, а также станка от колонны должно быть достаточным для работы и не подвергать опасности рабочего.
Правильное смазывание увеличивает долговечность станка, плавность и бесшумность работы механизмов, КПД приводов.
Приемочные испытания являются основным видом испытаний станков. Испытание и проверка станков на геометрическую точность осуществляется после изготовления и ремонта. Они должны удовлетворять техническим условиям.
Вопросы содержания оборудования в исправном состоянии регламентируются
при помощи планово-предупредительного ремонта. Модернизация действующего
оборудования вызывает быстрое увеличение выпускаемой продукции на имеющемся
оборудовании и площадях при значительной экономии капитальных затрат [1].
- 29 Вопросы и задания для самоконтроля
1. Расшифровать модели следующих станков: 16К20ФЗ, 2Н135В, 3М151А, 5Д32,
7Б56, 6Н81, 8534.
2. Дать определение передаточному отношению и числу.
3. Как определяется общее передаточное отношение кинематической цепи?
4. Какое звено ведущее, а какое ведомое в цепи главного движения токарного
станка?
5. Как определить диапазон регулирования и знаменатель геометрического ряда
кинематической цепи?
6. Какие механизмы служат для передачи движения между параллельными, пересекающимися и перпендикулярно расположенными валами?
7. Какие механизмы служат для преобразования вращательного движения в поступательное?
8. Какие механизмы входят в коробку подач?
9. Какие звенья ведомые и ведущие в цепях подач токарных станков?
- 30 -
Лекция №4
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
План лекции:
1. Общие сведения и определения.
2. Основные типы производства. Концентрация и дифференциация технологических процессов.
3. Выбор заготовок и припуски на обработку.
4. Понятие о базах и их выборе.
5. Точность механической обработки.
6. Понятие о проектировании технологических процессов.
7. Схемы механической обработки типовых деталей.
В соответствии с ЕССТП (единой системой технологической подготовки
производства) различают: изделие (готовая продукция) – конечный продукт
машиностроительного производства. Под изделием может пониматься готовая
машина, узел или даже деталь в зависимости от того, что является конечным
продуктом данного производства.
Сложное изделие может подразделяться на узлы (сборочные единицы) и детали. Деталь – неделимый первичный элемент изделия, характеризуется отсутствием разъемных и неразъемных соединений.
Сборочная единица (узел) – разъемное или неразъемное соединение деталей,
входящее в состав изделия. Сборочная единица (узел) в зависимости от ее конструкции может состоять из отдельных деталей или сборочных единиц (узлов)
и деталей. Технологической особенностью сборочной единицы является возможность ее сборки независимо от частей изделия.
Сборочные единицы бывают первого, второго и других более высоких порядков. Для тракторного завода изделием является трактор, который может
быть расчленен на сборочные единицы первого порядка – двигатель в сборе со
сцеплением, ходовая часть, кабина и т.д. В свою очередь двигатель в сборе со
сцеплением может состоять из двух сборочных единиц второго порядка: двигателя и муфты сцепления и т.д., третьего порядка: масляный насос и поплавковая камера, пусковой двигатель – агрегаты установленные на двигатель.
Производственный процесс – совокупность всех действий людей и орудий
труда, необходимых на данном предприятии, для изготовления выпускаемых
изделий. Производственный процесс изготовления машины можно разбить на
следующие этапы: изготовление заготовок, обработка заготовок, сборка и регулировка изделия.
Технологический процесс - часть производственного процесса, содержащая
действия по изменению и последующему определению состояния предмета
труда.
Технологическая операция – законченная часть технологического процесса,
выполняемая на одном рабочем месте. Выполнять ее могут один или несколько
рабочих.
- 31 -
Технологический переход –
законченная часть технологической
операции, характеризующаяся постоянством инструмента, приспособления,
режима резания и заготовки.[1]
Рабочий ход – законченная часть технологического перехода, состоящая из
однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, шероховатости поверхности или
свойств заготовок. Применительно к механической обработке семейства заготовок, различают установ и позицию.
Установ – часть технологической операции, выполняемая при неизменном
закреплении одной или нескольких обрабатываемых заготовок.
Позиция – фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепляемой,
относительно инструмента или неподвижной части оборудования, при выполнении определенной части операции.
Орудиями производства при выполнении технологических процессов является технологическое оборудование и оснастка.
Приспособление – часть технологической оснастки, предназначенной для
установки или направления предмета труда или инструмента при выполнении
технологического процесса.
В зависимости от масштаба производства различают три основных типа
производства: массовое, серийное и индивидуальное. Массовое производство –
изготовление изделий ведется путем выполнения на рабочих местах постоянно
повторяющихся операций. Характерная особенность массового производства непрерывно – поточный метод. При массовом производстве время на каждую
операцию равно или кратно такту. Такт - интервал времени между выполнением двух следующих друг за другом обработанных заготовок [1].
δ=
F ⋅ 60
n
(4.1)
где F- действительный фонд времени работы в год; n – программа выпуска в
год.
Серийное производство характеризуется последовательной обработкой партии (серии) различных заготовок и станки периодически переналаживаются с
одной операции на другую. В зависимости от размера партии серийное производство разделяется на: крупносерийное, среднесерийное и мелкосерийное, а
также смешанное. Для серийного производства характерно применение более
универсальных станков, приспособлений, инструментов, чем в массовом производстве.
Единичное производство характеризуется производством определенных изделий в одном или нескольких экземплярах. Основными особенностями единичного производства являются: широкая и разнообразная номенклатура изготовляемых изделий; отсутствие заранее обоснованной повторяемости операций на рабочих местах; широкая универсальность оборудования, приспособлений и инструментов, высокая квалификация рабочей силы.
В серийном и массовом производствах технологический процесс может
быть построен по принципу концентрации или дифференциации операций. При
концентрации технологического процесса (принцип совмещения операций) ме-
- 32 -
ханическая обработка заготовок
может
быть
осуществлена
на
небольшом количестве станков на которых выполняется много операций. Концентрация технологических процессов может быть последовательной, когда
большее число переходов выполняется последовательно один за другим. Это
более характерно для серийного производства. При одновременном выполнении многих переходов концентрация технологических процессов будет параллельной. Это характерно для крупносерийного и мелкосерийного производства
с применением многошпиндельных и многорезцовых станков. Может быть параллельно–последовательная концентрация технологических процессов при
одновременном сочетании двух способов концентрации. При расчленении технологических процессов на большое число операций с малым количеством переходов имеет место дифференциация технологических процессов. Установленная степень концентрации или дифференциации технологических процессов
определяется конкретными производственными условиями.
При проектировании технологических процессов изготовления деталей важным вопросом является выбор наиболее рациональной заготовки.
В машиностроении в качестве заготовки применяют отливки, штамповки,
сортовой прокат. В зависимости от вида заготовки бывает различный припуск
на их обработку. Припуск на обработку – слой металла, подлежащий устранению при механической обработке для получения заданных чертежом и техническими условиями формы, размеров и качества обрабатываемой заготовки.
Операционный припуск – слой металла, подлежащий удалению при выполнении одной технологической операции.
Напуск – слой металла, удаляемый при образовании отверстий, пазов и углублений в сплошном материале. Припуск на обработку 2Zb может быть определен по формуле:
r
r
2 Z b ≥ δ a ( Rz + Ta ) + ( ρ a + ε b )
(4.2)
где δа - допуск на размер, полученный на предшествующем переходе; Rz – высота поверхностных неровностей, образованных на предшествующем перехоr
r
де; ρ а -векторная погрешность взаимного расположения поверхностей; ε b - векторная погрешность базирования, установленная на выполняемом переходе.
В целом припуск на обработку должен обеспечивать: с одной стороны - получение детали заданных размеров и качество поверхности; с другой – должен
быть минимальным во избежание перерасхода металла и для изменения объема
механической обработки. Припуск на штамповку на прессах и молотах зависит
от массы детали: при массе 16-25кг – 1-11мм, 160-200кг -4-15мм. Поковка -2,520мм; отливка в землю -2,5кг-24мм.
Базами являются поверхности, линии, точки и их совокупности, служащие
для ориентации заготовки на станках, расположении деталей в узле или изделии, измерения детали или заготовки.
По назначению базы разделяют на конструкторские, технологические и измерительные.[1]
Конструкторские базы - поверхности (линии, точки), используемые для определения положения детали (или сборочные единицы) в изделии.
- 33 -
Технологические
базы
–
поверхности (линии, точки) детали,
служащие для установки заготовки или изделия на станке и ориентации ее относительно режущего инструмента.
Измерительные базы - поверхности (линии, точки), от которых производят
измерение размеров.
При установке заготовки на станке с использованием приспособлений необходимо лишить ее всех степеней свободы. Из механики известно, что каждое
твердое тело имеет шесть степеней свободы (три поступательных и три вращательных). Для лишения заготовки шести степеней свободы ее необходимо прижать к шести неподвижным точкам приспособления, так как каждая точка лишает тело одной степени свободы.
На рис.1 приведена схема базирования призматической заготовки по шести
точкам.
Рис.4.1 Схема базирования заготовки
по шести точкам.
1- установочная база;
2- направляющая база;
3- упорная база.
По лишенным степеням свободы технологические базы делят на: установочные, направляющие и упорные (табл. 4.1).
Примеры базирования заготовок.
Описание способа установки
Схема обозначения
С неподвижным и вращающимся центрами, в поводковом патроне и в неподвижном люнете
Таблица № 4.1
В трехкулачковом патроне с пневматическим зажимом и вращающимся центре с упором в бурт
На оправках: а – цанговой с упором в
торец и б- цилиндрической с упором в
торец и гидравлическим зажимом.
Установочная база лишает заготовку трех степеней свободы направляющая
- двух и опорная – одной. Примеры базирования валов - в центах (три степени
свободы), поводковый патрон одну степень свободы
Точность механической обработки учитывается на рабочих чертежах деталей. Заданную точность должен обеспечить технолог при разработке технологического процесса.
- 34 -
Практически
невозможно
изготовить деталь абсолютно точно
т.к. при обработке всегда возникают погрешности. Обеспечить точность обработки это значит обеспечить соблюдение геометрических параметров и физических свойств обработанных деталей в пределах заданных допусков. При механической обработке возникают погрешности трех видов: размеров, форм и
качества поверхностного слоя. Основными причинами этих погрешностей являются: неточности и деформации станка, неточности инструментов и приспособлений, деформации заготовок. В результате действия перечисленных и других причин, детали, при механической обработке получаются с отклонениями
от номинальных размеров, т.е. имеют определенные погрешности, которые
разделяются на систематические и случайные. Систематические погрешности
могут иметь постоянный характер или закономерно изменятся при переходе от
одной обрабатываемой заготовки к другой. Примером постоянной систематической погрешности является износ шлифовального круга (резца). К случайным погрешностям относятся колебания механических свойств материала, изменение величины припуска, колебания силы резания, зажим заготовки и др.
Суммирование погрешностей производят в зависимости от вида погрешностей: алгебраически (с учетом знака) и арифметически (без учета знака). Систематические погрешности суммируются алгебраически, поскольку их можно
определять как по величине, так и по направлению. Систематические и случайные погрешности суммируют арифметически, т.е. допуская, что эти погрешности имеют одинаковый знак.
Независимые случайные ошибки при симметричном законе распределения
определяют по правилу квадратного корня.
Δ = (к1 ⋅ Δ1 ) 2 + (к2 ⋅ Δ 2 ) 2 + ... + (кn Δ n ) 2
(4.3)
Где ∆ - суммарная погрешность; ∆,….∆n –составляющие погрешности; К,Кn– составляющие коэффициенты от кривых разделения отдельных погрешностей.
Когда отдельные погрешности подчиняются одному закону распределения,
т.е. К1=К2….Кn то:
2
2
Δ = n Δ1 + Δ 2 + ... + Δ n
2
(4.4)
В общем случае К=1-1,773, При разделении погрешностей по нормальному
закону (кривой Гаусса) К=1. При анализе точности обработки на настроенных
стенках рекомендуется применять К=1,2.
Для оценки точности размеров применяют способ построения кривых распределения размеров. Разность максимального и минимального размеров называют полем рассеивания размеров. Поле рассеивания характеризует точность
обработки. Чем меньше поле, тем точнее деталь или метод обработки. Кроме
поля рассеивания точность обработки характеризует также закон распределения размеров (кривые распределения). Для построения кривой распределения
- 35 -
производят замер размера на
определенном количестве деталей (от
50-250 шт)[2,3].
Совокупность измерений разбивают на ряд групп размеров в соответствии с
интервалами, например 0,002;0,02…0,04мм и т. д. По полученным значениям
строят график (рис 2). Кривая нормального распределения выражается уравнением Гаусса:
у=
− ( х − хср )
1
σ 2π
Рис.4.2
Гаусса.
⋅е
2σ 2
(4.5)
Кривая распределения
где х и у текущие абсцисса и ордината
кривой; хср – среднеарифметическое
отклонение из всех величин; σ –
среднеквадратичное отклонение.
Из уравнения Гаусса следует, что форма кривой определяется величиной
средне - квадратического отклонения σ .При уменьшении σ кривая линия
растягивается, т.е. имеет место меньшее рассеивание размера.
Экономическая и достижимая точность обработки служит для оценки возможных пределов технической точности различных методов механической обработки. Экономическая точность обработки является условным понятием,
выражающим получение детали необходимой точности при минимальных затратах средств.
Достижимая точность – максимальная точность, которая может быть получена при обработке заготовки рабочим высокой квалификации, работающем на
новом оборудовании при неограниченном затрате времени.
Проектирование технологических процессов, - определяющий
элемент
производственного процесса. От степени рациональности технологического
процесса (ТП) зависят качество изделий, затраты труда и материальных средств
на изготовление продукции. К числу исходных данных для проектирования ТП
механической обработки относятся рабочие чертежи, технические условия на
их изготовление, данные о годовой производственной программе, данные о заготовках, сведения о специфических условиях данного процесса. При проектировании ТП необходим также ряд справочных данных: по припускам и допускам, по оборудованию, по режущему измерительному и вспомогательному инструменту, режимам резания, вспомогательному времени и др.
При проектировании ТП выполняют следующие работы: определяют вид и
размер заготовки, составляется план обработки, выбирается оборудование для
отдельных операций, базовые поверхности и способы установки заготовки, выбирается или проектируется приспособление, режущий инструмент, подсчитываются межоперационные размеры, нормируются операции (определяются ре-
- 36 -
жимы резания и штучное время)
выбирается
измерительный
инструмент и приспособления, а также ведется разработка карт контрольных
операций, составляются технологические карты, ведутся экономические подсчеты по установлению наивыгоднейшего варианта обработки путем сопоставления конкурирующих вариантов технологических процессов.
При составлении маршрута (плана) обработки детали руководствуются следующими положениями:
-операцию назначают исходя из конструктивных форм и размеров детали;
-в первую очередь обрабатывают поверхности, которые будут являться базами для последующей обработки;
-затем обрабатывают поверхности, с которых снимают наибольшие слои металла;
-отделочные операции располагают в конце обработки;
-операции механической обработки увязывают с термическими операциями.
Конструктивные формы и размеры детали определяют характер и последовательность обработки. Так, детали типа тел вращения обрабатывают на станках токарной группы, а детали с плоскими поверхностями - на фрезерных и
строгальных станках. Размеры деталей обуславливают выбор типоразмеров
станков.
Обработка базовых поверхностей повышает точность последующей обработки. Характерным примером является предварительная обработка центровых
гнезд при точении валов, последовательная обработка валов ведется также с
использованием центовых гнезд в качестве технологических баз.
Отделочные операции выбирают в зависимости от требуемых чертежом
точности размеров и шероховатости поверхности.
Типовые методы обработки валов в зависимости от точности:
-14-12кв. - однократное точение;
-11-9кв. - черновое и чистовое точение;
-9-6кв. - черновое точение, чистовое точение, однократное шлифование;
- 6-5кв. - черновое точение, чистовое точение, предварительное и окончательное шлифование.
При высоких требованиях к шероховатости поверхности вводится отделочные операции (суперфинишерование, притирка, полирование).
Типовые методы обработки неглубоких отверстий в зависимости точности от(l/d < 5).
-12-13кв. - сверление без кондуктора, грубая расточка (для литья);
-11кв.- сверление по кондуктору, одна или две расточки, сверление и зенкерование, сверление и расточка;
-9-10кв. - сверление и развертывание, две расточки и развертывание; сверление, растачивание (зенкерование) и развертывание; сверление и две расточки ;
две расточки и шлифование; сверление, зенкерование; расточка и протягивание, шлифование; сверление и протягивание до 12 мм; две расточки и однократное развертывание.
-6-8кв. - сверление и одно- или двукратное развертывание;
свыше 12 мм-сверление, зенкерование; две расточки и протягивание или двукратное развертывание, две расточки и однократное шлифование; сверление,
зенкерование и шлифование.
- 37 -
Технология механической
обработки типовых деталей.
Наиболее распространенными деталями машин являются валы втулки и
зубчатые колеса.
Валы: материал - сталь 35,40,45. В среднем машиностроении для валов применяют Ст0 до Ст6. Ответственные валы делают из легированной конструкционной стали (40Х, 50Х). Наиболее часто посадочные места у валов под зубчатые колеса, муфты выполняют по 9-11кв., а в сильно нагруженных –по 6-8кв.
Шейки под подшипники – по 6-7кв., а в отдельных случаях по 5-6кв.
Заготовками для валов служат: прокат, прокат с последующим волочением,
штамповка. Технологический процесс обработки длинных валов (l > 4d); центровка и точение с двух концов вала на центовых гнездах. Резку заготовок выполняют на прессах, ножовках, резцами на токарных станках, дисковыми сегментными фрезами. Торцы подрезают на токарных, фрезерных и фрезерноцентровальных станках. Центровку – на токарных, сверлильных, центровальных, фрезерно-центровальных станках.
К втулкам относят тела вращения с концентричными наружными и внутренними поверхностями, размеры которых по длине одного порядка с диаметральными размерами.
Заготовки - штамповка, прокат, трубы, отливки, метало - керамика. Для обработки втулок применяют станки токарной группы. Главное – концентричность наружных поверхностей относительно отверстия и достижение перпендикулярности торцов к оси отверстия.
Возможны три схемы обработки втулок:
- обработка наружных и внутренних поверхностей вращения и торцов за
один установ;
- обработка за две установки. При первом установе (первой операции) обрабатывают внутреннюю поверхность и торец; при втором - наружные поверхности и второй торец.
Первая схема обработки возможна при точении втулок из прутка или трубы
с отрезкой детали в конце операции. Данная схема обеспечивает хорошую концентрацию наружных и внутренних поверхностей и перпендикулярность
Торцов к ее оси. Однако эта схема не применима для штучных втулок большого диаметра[1].
По второй схеме сначала обрабатывают (окончательно) отверстие (а часто и
один торец втулки). Затем обработку наружных поверхностей и подрезку второго торца выполняют на оправке, используя обработанное отверстие в качестве базы. Такая схема обеспечивает концентричность наружных и внутренних
поверхностей, а также перпендикулярность торцов к оси отверстия.
Третья схема менее распространена т.к. дает большие погрешности во взаимном расположении внутренних и наружных поверхностей, не обеспечивает
выдерживания перпендикулярности торцов к оси отверстия. По этой схеме
нельзя применять такие способы обработки отверстий как протягивание и развертывание, при которых режущий инструмент направляют по обрабатываемому отверстию: данная схема обработки обеспечивает получение высокой
концентричности поверхностей. По данной схеме отверстие можно обрабатывать растачиванием и шлифованием.
- 38 -
Чистовую обработку отверстий
втулок выполняют развертыванием,
протягиванием, шлифованием, хонингованием. При черновой обработке наружных поверхностей и торцов, втулку часто закрепляют на оправке. В этом
случае предварительно отверстия обрабатывают точно растачиванием, протягиванием и др. Обработки втулок на оправке обеспечивает требуемую концентричность наружной и внутренней поверхностей и перпендикулярность оси
втулки. Шлицевые и шпоночные канавки во втулках получают протягиванием.
В условиях единичного производства шпоночную канавку обрабатывают на
долбежном станке или строгальном. В этом случае надо размечают шпоночную канавку на торце втулки[2,3].
Первоначально обработка цилиндрических зубчатых колес производится
обычно по второй схеме обработки втулки. В конце нарезают зубья червячной
фрезой на зубофрезерном станке или долбяком на зубодолбежном станке. В
единичном производстве зубья нарезают дисковой модульной фрезой на горизонтально – фрезерном станке с использованием делительной головки.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Что называется изделием или готовой продукцией в машиностроении?
2. Дать определение производственного и технологического процессов.
3. Дать определение: технологической операции, переходе, рабочего хода,
установе, позиции и такта.
4. Какие типы производства существуют и дать им характеристику?
5. Как разделяются технологические процессы по количеству операций на
одном рабочем месте?
6. Какие виды заготовок используются в машиностроении и как их выбрать?
7. Дать определение припуску на обработку и привести формулу для расчёта операционного припуска.
8. Дать определение базы и их типы.
9. Как базировать заготовку при обработке вала и втулки?
10. Как повысить точность обрабатываемой поверхности?
11. Какие методы используются для оценки точности размеров?
12. Привести типовой технологический процесс обработки втулки.
13. Привести типовой технологический процесс обработки вала.
- 39 -
Лекция №5
ТОЧЕНИЕ, СВЕРЛЕНИЕ И РАСТАЧИВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ.
ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ И РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ.
План
1.Схема точения и общее устройство токарного станка.
2.Токарные резцы и принадлежности к станкам.
3.Работы, выполняемые на токарных станках и выбор режима резания при точении.
4.Схема сверления и растачивания отверстий. Понятие о сверлильных и расточных станках.
5.Режущий инструмент и элементы процесса резания при сверлении.
6.Работы, выполняемые на сверлильных и расточных станках и режимы обработки.
Наиболее распространенными операциями механической обработки на машиностроительных и ремонтных предприятиях являются токарные и сверлильно-расточные.
На токарных станках выполняют наружное точение, сверление, растачивание, зенкование, зенкерование и развертывание отверстий, нарезание наружных и внутренних резьб, а в ряде случаев и другие технологические операции[1].
Процесс точения осуществляется по следующей схеме:
Рис 5.1 Схема точения.
V- скорость резания, м/мин;
n - частота вращения, мин-1 ;
Sпр – продольная подача, мм/об;
Sнр – шаг нарезаемой резьбы,
мм/об; Sпоп – поперечная подача,
мм/об.
Основные размеры, характеризующие токарный станок: - высота центров
над станиной и расстояние между центрами.
По высоте центров (ВЦ) токарные станки делятся на три группы: мелкие-с
ВЦ-50; средние-150-300; крупные- свыше 300мм.
При ремонте с/х машин наиболее применяемые – средние станки[1].
Основные узлы токарно-винторезного станина: станина передняя и задняя
бабки, коробка скоростей, коробка подач, супппорт, фартук, ходовой винт и валик.
Управление станком осуществляется посредством рукояток, маховичков и
других органов управления.
- 40 -
Наиболее
распространенной
моделью токарно-винторезного станка
является модель 16К20 ,которая предназначена для точения различных деталей
и нарезания резьб. Станок применяется в серийном и мелкосерийном производствах. Он содержит: механизм главного движения – вращение шпинделя
или вращения заготовки. Ведущим звеном является – вал электродвигателя; ведомым - шпиндель. Станок имеет 22 различные частоты вращения. Механизмы
подач содержат звено увеличения шага, реверсивный механизм, гитару сменных колес, коробку подач, множительный и распределительный механизмы,
фартук. Ведущим звеном является шпиндель; ведомыми звеньями являются:
для цепи продольных подач – реечное колесо; для поперечных подач – ходовой
винт поперечной подачи и для нарезания резьб - ходовый винт. Токарные резцы подразделяют по форме головки, по направлению подачи, по изогнутости
головки, по конструкции, сечению стержня, материалу рабочей части, назначению и т.д.[1,2]
По форме головки и направлению подачи резцы подразделяются на левые и
правые. Правые работают с подачей справа налево (от задней бабки к передней) левые - в обратном направлении. Могут быть резцы отогнутые вправо или
влево, изогнутые вверх или вниз и оттянутыми вправо или влево. По конструкции различают цельные резцы (головка и тело выполнено из одного металла), с приваренной встык головкой, с припаянной пластиной твердого сплава и
резцы с механическим креплением режущих пластинок. По сечению стержня
различают прямоугольные, квадратные, круглые резцы, а по материалу режущей части: резцы из быстрорежущей стали, твердого сплава и металлокерамики. По назначению различают резцы проходные, подрезные, отрезные, расточные, галтельные, фасонные и резьбовые. Проходные резцы применяют для наружной обточки. Они могут быть черновыми и чистовыми. У черновых резцов
угол в плане более 10-35º. Подрезные резцы применяют для подрезки торцов.
Упорный подрезной резец имеет главный угол в плане 90 º. Он работает с продольной подачей и одновременно подрезает торец. Отрезные резцы применяют
для разрезания заготовок и нарезки канавок. Он имеет одну главную и две
вспомогательные режущие кромки. Расточные резцы применяют для растачивания отверстий предварительно просверленных или полученных в процессе
штамповки. Расточные резцы используют для растачивания глухих отверстий.
При этом главный угол в плане φ ≤ 90 º, а для растачивания сквозных отверстий
φ > 90 º. Галтельные резцы применяют для обтачивания галтелей (закруглений). Фасонные резцы предназначены для обработки деталей сложной формы.
По конструкции фасонные резцы делятся на призматические и дисковые. Их
применяют в условиях крупносерийного производства. Резьбовые резцы и головки применяют для нарезания наружной и внутренней резьбы. Они разделяются на стержневые, призматические и дисковые. Резцы для метрической и
дюймовой резьбы изготавливают с задним углом α=12-15º. Чистовые резцы
имеют γ =0º. Угол при вершине ε = 60 у твердосплавных резцов делают его
на 30´ меньше чем профиль резьбы у резцов из быстрорежущих сталей. У резцов из быстрорежущей стали угол профиля резьбы равен углу ε (рис5.2а).
Резьбовые резцы и гребенки применяют для нарезания наружных и внутренних резьб. По конструкции такие резцы разделяются на стержневые, призмаo
- 41 -
тические и дисковые. Дисковые
резьбовые резцы используют в
условиях крупносерийного и массового производства (рис 5.2б).
Резьбовые гребенки представляют собой объединение нескольких резьбовых
резцов с профилем, соответствующим профилю нарезаемой резьбы. Первые
два резца, срезанные под углом φ=25-30º, образуют режущую (заборную) часть,
остальные - калибрующую часть. Круглые гребенки применяют для нарезания
наружной и внутренней резьбы (рис 5.2в).
б)
а)
в)
Рис 5.2 резьбовые резцы (а, б) и гребенка (в) для нарезания резьб.
а)-призматический; б)-дисковый резец 3 с зубцами 4 для крепления; в)-гребенка
для нарезания внутренней резьбы.
Метчики предназначены для нарезания или калибрования резьбы в отверстиях и представляют собой винт с продольными канавками. Метчики бывают
ручные и машинные, гаечные, плашечные. Последние служат для нарезания и
калибрования резьбы в плашках. Метчики выпускают дух- и трехкомплектными. Черновые метчики снимают 60% металла, средний – 30% и
чистовой 10%.[3]
Плашки применяют для нарезания или калибрования наружных резьб за
один проход. Плешки бывают круглые, квадратные, шестигранные. Наиболее
широкое применение имеют круглые плашки.
Резьбу на токарных станках нарезают по двум схемам (рис 5.3)
Рис 5.3 Схемы нарезания резьбы на токарных
станках.
а)-поперечная схема; б)-осевая обработка.
Четные резьбы (Т х/в /t h.p – целое число). Нечетные резьбы - при Т х/в /t h.p - дробное число.
- 42 -
Нарезают трапециидальные, прямоугольные и резьбы, имеющие специальный шаг.
Для настройки станка на нарезание резьбы составляют уравнение кинематического баланса в общем виде.
1об.шп ⋅ u0 ⋅ upм ⋅ uгск ⋅ ukп ⋅ uмм ⋅ upм ⋅ tхр = Sнр
u г .с . к . =
S н. р.
A ⋅ t хв K
=
откуда
(5.1)
25 .4
πм
π ⋅ 25 .4
; или
;
n ⋅ A ⋅ T хв
A ⋅ T хв A ⋅ p ⋅ T хв
(5.2)
При нарезании многозаходных и торцовых резьб, шаг нарезаемой резьбы
s = t ⋅к
определяется по формуле:
, где К – число заходов резьбы; S – ход
резьбы.
Деление на требуемое количество шагов выполняется с помощью специальных делительных устройств, смещением поперечных салазок суппорта,
сменных зубчатых колес и др.
Нарезание торцовых спиралей с поперечной подачей в несколько проходов.
После каждого прохода резец отводят и сообщают ему обратный ход. Затем устанавливают требуемую глубину резания и повторяют проход.
На токарно-винторезных станках выполняют подрезание торцов, центрование, обтачивание наружных цилиндрических поверхностей, обработку сквозных, глухих цилиндрических отверстий, точение конусов, фасонных поверхностей, нарезание резьбы и другие работы.
Обработку конических поверхностей выполняют следующими способами:
смещением задней бабки в поперечном направлении; поворотом верхней части
суппорта, при помощи копирной линейки и широкого резца.
К принадлежностям токарных станков относят: центры для установки длинных деталей. Для уменьшения трения между обрабатываемой заготовкой и
центром применяются вращающиеся центры. Патроны бывают: двух, трех – четырех кулачковые с различным приводом и пневматические. Наиболее распространенными являются 3-х кулачковые.
Четырех кулачковые патроны могут быть с ручным и пневматическим приводом.
Инструмент второго порядка: центры вращающиеся, срезанные, плавающие,
обратные и др. Для вращения валов, установленных в центрах, применяют различные поводковые устройства. Наиболее распространены поводковые, планшайбы с хомутиком и применение самозажимных поводковых патронов.
Люнеты - приспособления для дополнительной поддержки нежестких валов. Люнеты бывают подвижные и неподвижные. Оправки различных конструкций.[2]
Группа токарных станков включает следующие типы: револьверные, многорезцовые, токарные автоматы и полуавтоматы, гидрокопировальные, станки с
ЧПУ и др. Для установления режимов резания необходимо иметь: чертеж, характеристику материала, а также паспорт станка. Общий припуск на механическую обработку должен складываться из суммы операционных пропусков и
- 43 -
сниматься с минимальным числом
проходов. Припуск на черновую
обработку должен быть снят с одного прохода.
При назначении режимов и выборе геометрических параметров резцов
можно пользоваться различными справочниками по режимам резания. Выбирается возможно большая допустимая подача, которая проверяется по механизмам подачи станка. Далее определяется частота вращения шпинделя и основное
технологическое время обработки.
Сверление как метод обработки служит уже сотни лет. Еще в 17 веке на
Тульских и Каширских заводах при сверлении пушек применялись режущие
инструменты, напоминавшие современные сверла, зенкер и развертку. Операции сверления выполняют на сверлильных станках. Кроме этого на сверлильных станках делается рассверливание, зенкерование и развертывание отверстий, подрезку торцов и центрование, нарезание резьбы метчиками (при наличии специального патрона). Все перечисленные виды работ можно выполнять и
на токарных станках, но только на деталях типа тел вращения. Обработку при
сверлении выполняют по следующей схеме (рис 5.4).
Рис 5.4 Схема рассверливания отверстия.
При сверлении глубина резания равна половине
диаметра сверла (t=D/2), а при рассверливании
t=
D − Do
;
2
S – осевая подача за один оборот сверла(мм/об)
Так как сверло имеет две режущие кромки, то подача
распределяется на каждую кромку. Скорость резания –
окружная скорость вращения точки режущей кромки,
расположенной на наружном диаметре сверла:
Площадь срезаемого слоя равен
f =
S⋅D
4
(на
одну режущую кромку).
Машинное время при
сверлении
и
рассверливании
равно:
Tмаш =
L
n⋅ S
(5.3)
На рис 5.5 приведена схема сил резания при
сверлении.
Рх – осевая сила; Ру – радиальная
сила резания; Pz- тангенциальная сила.
Рис 5.5 Схема сил резания
при сверлении.
- 44 -
Для инженерных расчетов при
сверлении необходимо знать осевую
силу и крутящий момент: Po = 2 Px + Pпер , (5.4)где Рпер – сила взаимодействия
материала на каждую режущую кромку.
Мощность резания при сверлении складывается из мощностей затрачиваемых на вращение и осевое перемещение сверла:
N рез = N вр + N o ; N рез = M ⋅ n
(5.5)
9750
Мощность на шпинделе станка должна быть больше или равна мощности
резания.
В зависимости от предела прочности стали применяют поправочные коэффициенты для мощности при сверлении.
Скорость резания при сверлении – важнейший фактор, влияющий на стойC
V = m ,
кость сверла.
(5.6)
T
где: m - коэффициент стойкости (сверло из быстрорежущей стали m=0,2 по
стали и 0,125- для чугунов); C - коэффициент зависит от материала заготовки и
условий резания. Допустимая скорость при сверлении:
C v ⋅ D qv
V = m
T ⋅ S yv
(5.7)
где D – диаметр сверла в мм; qvyv – показатели степени.
В процессе резания режущие элементы сверла изнашиваются по задней и
передней поверхностям, по уголкам, по лезвию перемычки и по ленточке т.к.
скорость в этом месте минимальная.
Зенкерованием обрабатывают отверстия, в литье для придания им правильной формы и достижения более высокого класса шероховатости. Обычно зенкерование проводят как чистовую обработку перед развертыванием, но оно
может быть и окончательной операцией. Припуск под зенкерование (на сторону) применяют равным 0,5-2 мм. Точность обработки находится в пределах 1112 квалитетов, а шероховатость обработанных поверхностей 4-6 кл. Зенкерование производят зенкерами, которые бывают цельные и насадные, выполняемые из стали Р6М5,Р18,Р9 и оснащаются пластинками твердого сплава
Т15К6,ВК8. Как правило, зенкеры изготавливают трех и четырехканавочными[1-3].
Развертывание - процесс окончательной обработки со снятием очень тонкой
стружки. Развертывают предварительно расточенное резцом или обработанное
зенкером. Точность развертывания – 6-10 кв, а шероховатость 7-9 кл. При черновом развертывании удаляется припуск в пределах 0,1-0,4 мм и при чистовой
– 0,05-0,2 мм. Различают машинные и ручные развертки. Развертки изготавливают из углеродистой, легированной или быстрорежущей стали или оснащают
пластинками твердого сплава Т15К6 или ВК8. Число зубьев развертки от 6-16.
При черновой обработке глубину резания устанавливают равной величине
припуска которым снимают за один проход. При чистовой обработке весь припуск снимается за несколько проходов. Величину подачи выбирают по соответствующим справочникам в зависимости обрабатываемого материала, инст-
- 45 -
румента, вида и условий обработки.
Подача на один оборот шпинделя
составляет 0,02-0,03 диаметра сверла. Подача при зенкеровании колеблется в 22,2раза больше, а при развертывании – в 2,5-3 раза больше подачи при сверлении. Скорость резания определяют с учетом принятой подачи, свойств обрабатываемого материала, материала режущей части сверла, выбранного квалитета
точности, геометрических параметров сверла и др. условий резания и рассчитывают по формуле:
V =
Cv ⋅ D
q
⋅S
y
T
m
, м/мин.
(5.8)
или определяют по справочникам с учетом всех поправочных коэффициентов.
По полученной скорости резания находят частоту вращения и корректируют ее
по паспорту станка.
Различают следующие основные типы сверлильных станков: вертикальносверлильные, радиально-сверлильные, многошпиндельные, горизонтальносверлильные, агрегатные, центровочные и расточные.
Вертикально-сверлильный станок мод 2H135 может работать в автоматизированном цикле и предназначен для сверления, развертывания и зенкерования,
нарезания резьб метчиками. Максимальный диаметр сверления - 35 мм.
Станок состоит из следующих основных узлов: плита, несущая колонна ,в
которой размещается шпиндельный узел с коробкой скоростей, коробка подачи с маховиками управления.
Инструменту, закрепленному в сверлильной головке, сообщают вращательное движение и вертикальную (осевую) подачу. Для цепи главного движения
ведущим звеном является вал электродвигателя, а ведомым -шпиндель; для
цепи подачи ведущим является шпиндель, а ведомым реечное колесо, изменяющим подачу в осевом направлении.
Радиально – сверлильные станки применяются при сверлении или обработке
в крупногабаритных деталях. На этих станках можно выполнять операции
сверления, рассверливания, зенкерования, развертывания, растачивания отверстий, нарезания резьбы метчиками и др[1,2].
На расточных станках обрабатывают крупные корпусные детали. Он состоит
из станины, стола, который перемещается в продольном и поперечном направлениях, а верхняя часть может поворачиваться.
Инструмент устанавливают на шпинделе. Шпиндельная бабка может передвигаться по направлению станины.
В шпиндельной бабке расположена планшайба с суппортом. Электродвигатель обеспечивает вращение и осевую подачу шпинделя, подачу стола и раздельную подачу суппорта планшайбы. Задняя стойка предназначена для поддержки длинных расточных оправок.
На горизонтально – расточном станке можно выполнять различные операции: растачивание отверстия с параллельными и перпендикулярными осями,
сверление, зенкерование, развертывание, фрезерование, а так же обтачивание
торцевых цилиндрических поверхностей резцом.
Особой разновидностью расточных станков является алмазно – расточные
станки. На этих станках растачивают точные отверстия небольших деталей.
Они бывают горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные в свою очередь
- 46 -
могут быть одностороннего и
двухстороннего
действия.
По
количеству шпинделей станки разделяются на одно – и многошпиндельные.
Эти станки обладают высокой точностью и чистотой обработки.
Вопросы для самоконтроля
1. Привести пример схемы точения при обработке вала.
2. Рассказать устройство токарного станка мод. 16К20.
3. По каким параметрам разделяются токарные резцы?
4. Перечислите основные группы и марки инструментальных материалов.
5. Какая теплостойкость основных групп инструментальных материалов?
6. Как разделяются токарные резцы по назначению?
7. Чем отличается резьбовая гребёнка от резца?
8. Какие схемы нарезания резьб используют на токарных станках?
9. Как настроить станок на нарезание питчевой резьбы?
10. Как нарезать многозаходнюю и торцовую резьбу?
11. Какие способы служат для точения конических поверхностей?
12. Какие принадлежности используются на токарных станках для расширения их технологических возможностей?
13. Назовите основные операции и их точность при обработке на сверлильных станках.
14. Указать вклад составляющих силы резания при сверлении и величину
Nрез.
15. Для каких схем обработки отверстий длина врезания lв не зависит от t?
16. По какой эмпирической формуле определяется скорость резания при
сверлении?
- 47 -
Лекция №6
ФРЕЗЕРОВАНИЕ, СТРОГАНИЕ, ДОЛБЛЕНИЕ И ПРОТЯГИВАНИЕ.
ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ, РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ.
План:
1. Схемы фрезерования, типы фрез, элементы процесса резания, силы и скорость
резания.
2. Назначение режимов резания при фрезеровании.
3. Фрезерные станки, механизмы и движения. Делительные головки.
4. Схемы строгания и долбления. Строгальные и долбежные резцы и элементы
процесса резания при строгании и долблении.
5. Строгальные, долбежные и протяжные станки.
6. Протягивание и элементы процесса резания при протягивании.
Фрезерование – метод механической обработки с помощью фрез. Наиболее
распространенными способами фрезерования являются вертикальный и горизонтальный (рис. 6.1)
а)
б)
Рис. 6.1 Схемы фрезерования: а) - вертикальная; б) - горизонтальная.
1 – фреза; 2 – заготовка; 3 – стол; 4 – ходовый винт; V – скорость главного движения (фрезы); nср - частота вращения фрезы; S – подача стола.
- 48 -
Для осуществления процесса фрезерования необходим станок, инструмент
(фреза) и режимы обработки.[1]
Фрезы разделяются по: характеру работы на цилиндрические, торцовые, подрезные, концевые, угловые, фасонные, резьбовые; по конструкции: - односторонние, двух- и трехсторонние; затилованные и незатилованные; по креплению
зубьев: - вставные быстрорежущие, вставные твердосплавные и припаянные,
цельные и сборные.
На рис 6.2 приведены схемы затилованных и незатилованных зубьев фрез.
а)
б)
Рис 6.2 Зубья фрезы: а)- острозаточенные (незатилованные); б) - затилованные.
Геометрические параметры режущей части фрезы приведены на рис 6.3.
Рис6.3 Геометрические
параметры фрезы
α ;γ
–главные задние и
γ
передние углы,
1, α 1 вспомогательные поперечные передние и задние уг-
γ
лы; 2 , α 2 - продольные
углы в сечении параллель-
γ
=5-30º, α =
ном оси,
12-30º, φ- главный угол в
плане;φ1- вспомогательный угол в плане; ω - угол
наклона спирального зуба
к оси фрезы. λ - угол наклона главной режущей кромки.
Фрезерование цилиндрическими фрезами можно выполнять двумя способами:
против подачи (встречное фрезерование) – когда фреза вращается против
направления подачи (рис. 6.4 а) и попутное – когда вращение фрезы и
направление подачи совпадают (рис. 6.4 б).
- 49 -
Рис.6.4 Схемы фрезерования
цилиндрическими фрезами
а)- встречное; б) - попутное
а)
б)
При встречном фрезеровании толщина снимаемого слоя материала и нагрузка
на зуб фрезы возрастают постепенно. В первоначальный момент зуб фрезы выполняет не резание, а сжатие. Это приводит к повышенному износу зуба по передней поверхности и вызывает наклеп поверхности.[1-3]
При попутном фрезеровании зуб фрезы начинает работать с максимальной
толщиной среза и поэтому в первый момент воспринимает наибольшую нагрузку. При попутном фрезеровании затрачиваемая мощность на 10-15% меньше, а
класс шероховатости на 1-2 класса выше, чем при встречном. Однако этот метод
использовать нельзя если заготовка имеет твердую корку (после литья, штамповки и.т.д.). К элементам режима относятся: глубина резания t , которая определяется толщиной снимаемого слоя, измеренная по перпендикуляру к поверхности.
Подача – перемещение заготовки по отношению к фрезе при её вращении. Различают три вида подачи: минутную ,S мм/мин; подачу на оборот So , подачу на
зуб Sz .
Sмин = So ⋅ nф = Sзуб ⋅ zф ⋅ nф
(6.1)
где nф- частота вращения фрезы в мин.; zф- число зубьев фрезы ;Sзуб- подача на
зуб фрезы.
Настройка фрезерных станков осуществляется по минутной подаче. Скорость
резания- окружная скорость вращения фрезы.
V =
πDn
1000
(6.2)
где D - наружный диаметр фрезы , мм;
При использовании фрез с винтовыми зубьями различают шаг осевой(to), торцовый (tт) и нормальный(tн). Осевой шаг- расстояние между осевыми зубьями
фрезы , измеренный вдоль оси (рис6.5)
t o = ctgω ⋅ t н =
πD
Z
ctgω
Нормальный шаг tн определяется по зависимости: t н = t o ⋅ sin ω ,
а торцовый:
tt = tн ⋅ сosω
(6.3)
(6.4)
(6.5)
- 50 -
Шаг винтовой лини можно определить по зависимости :
Tвк =
оси фрезы.
πDфр
сtgω
(6.6)
Рис 6.5 Схема к определению шагов фрезы
При фрезеровании цилиндрической прямозубой
фрезой на каждый зуб действует сила, которая
может быть разложена на касательную Fк ,
направленную по касательной Ft к траектории
движения режущей кромки зуба и радиальную (Fр)
(рис 6.6), а также F0- осевую, измеренную вдоль
Рис 6.6 Схема сил резания при фрезеровании
Ро – осевая сила, противодействует силе осевой
подачи. Ру - радиальная сила , противодействует силе
отжима фрезы от заготовки; Рz – сила тангенциальная
, противодействующая силе деформирования
и
срезания стружки .
Вдоль каждого зуба возникают силы трения
уменьшающие силу Ру -осевую силу.(рис 6.6)
Ро =Рtgω
(6.7)
где ω – угол наклона винтовой канавки.
Между отдельными силами резания существует взаимосвязь:
Py = (0.4 − 0.6) Pz ;
(6.8)
а сила Рz определяется по эмпирической формуле (для цилиндрических фрез)
при обработке стали с
σ в = 750МПа
Pz = 682 ⋅ t 0.86 ⋅ S z0.72 ⋅ Z ⋅ B ⋅ D −0.86
(6.9)
Мощность фрезерования определяют по формуле:
N=
M ⋅n
9750
Где М –крутящий момент, который равен M =
(6.10)
Pz ⋅ D
, где D – диаметр фрезы.
2
- 51 -
Допустимая скорость резания (м/мин) в зависимости от условий фрезерования
и стойкости фрезы рассчитывают по формуле:
Cv ⋅ D q ⋅ n
V= m x y n p
T ⋅t ⋅ S ⋅ B ⋅ Z
(6.11)
где СV –коэффициент, зависящий от материала заготовки и условий фрезерования;T- период стойкости фрезы, мин; В – ширина фрезерования; Z – число зубьев фрезы; q,m,x,y,n,p –показатели степени; К - поправочный коэффициент, учитывающий изменения условий обработки.[1-3]
Значения коэффициента и показателей степени берутся из справочной литературы.
Скорость резания рассчитывают по приведённой выше формуле (6.10), по которой определяют частоту вращения фрезы, и корректируют по паспорту станка.
Фрезерные станки разделяются на горизонтальные, вертикальные, широкоуниверсальные, продольные, непрерывного действия, карусельные и д.р.
Горизонтально-фрезерные станки имеют горизонтальный шпиндель. У вертикально-фрезерных станков ось вращения фрезы расположена вертикально. Универсально-фрезерные станки имеют поворотный стол допускают подачу заготовки под углом к оси шпинделя. Главным движением является частота вращения
фрезы , а движение подачи –перемещением стола .Приводы раздельные. Условием настройки станков является определение минутной подачи стола.
Наиболее распространенными приспособлениями к фрезерным станкам являются делительные головки, которые могут быть лимбовые, безлимбовыми, и
оптическими. Они позволяют обрабатывать заготовки , имеющие пазы на наружной поверхности , например : зубчатые колёса , зёнкеры и т.д. в том числе со
спиральными зубами [4].
Делительные головки настраивают путём простого дифференцального деления
и
Uг =
N
± (Z ф − Z з ) ;
Zф
Uг =
на
N ⋅ t хв
Т вк
нарезание
винтовых
U бл =
N
2Z 3 ;
канавок
U бл =
по
формулам:
np =
N
Z3 ;
N
± (Z ф − Z з ) ;
2Z ф
(6.12)
Группа строгальных, долбёжных и протяжных станков отличается от предшествующих типов наличием прямолинейного возвратно -поступательного главного движения.
Строгальные станки предназначены для обработки резцами плоских и линейчатых поверхностей, пазов, торцов и других подобных работ.
Они делятся на поперечно-строгальные, продольно- строгальные и долбёжные. У поперечно-строгальных станков возвратно-поступательное движение со-
- 52 -
вершает закреплённый в суппорте резец, а обрабатываемая заготовка – движение поперечной подачи (рис 6.7)
а)
в)
б)
д)
г)
Рис. 6.7 Схемы обработки: а)-поперечное строгание; б)-долбление; в)строгание продольное; г)-протягивание; д)-формы протягиваемых отверстий; е)
схема подъема зуба протяжки (Sz)
У продольно – строгальных станков главное движение - возвратнопоступательное перемещение заготовки и поперечное перемещение резца (движение подачи рис 6.7а, в). У долбёжных станков резец получает вертикальное
возвратно-поступательное движение, а заготовка получает периодическое перемещение в поперечном, продольном или круговом направлениях (рис 6.7б). Протяжные станки имеют единственное главное движение инструмента, а движение
подачи обеспечивается за счёт подъёма зуба инструмента (рис 6.7.е).
Строгальные и долбёжные станки применяют в единичном и мелкосерийном
производствах, а протяжные в массовом.[4]
Процесс строгания имеет много общего с точением. Особенности строгания –
переменная скорость рабочего и холостого ходов. Врезание резца в заготовку сопровождается ударами, и подача имеет переменный характер.
- 53 -
Строгальные резцы по конструкции подобны токарным , но при прочих равных условиях имеют большие поперечные размеры (сечение) , так как работает с
переменной нагрузкой(с ударами).
Для обработки стальных отливок, строгальные резцы делают обычно изогнутыми, чтобы при встрече с твердыми включениями резец отгибаясь не врезался в
уже обработанную поверхность. Это предохраняет резец от выкрашивания и сохраняет качество обработанной поверхности (рис.6.8а)
а)
б)
г)
в)
Рис.6.8 Схемы режущих инструментов : а)-строгального; б)-долбёжного; в)протяжка:L4- режущие; L5-калибрующие зубья; L1-хвостовик; L2-шейка; L3передняя направляющая часть продольной предварительной обработки отверстий; L6-задняя направляющая часть; г)-углы и шаг зубьев протяжки.
Рис.6.9 Схемы протягивания.
а)- профильная;
б)- прогрессивная;
в)- генераторная.
а)
б)
в)
При потягивании применяют различные схемы в том числе: профильное
протягивание (рис.6.9а), прогрессивное протягивание (рис 6.9б) генераторное
протягивание (рис 6.9в).
При профильной схеме резания продольные срезы у каждого зуба соответствуют форме отверстия. Прогрессивная схема предусматривает срезание каждым отдельным зубом лишь части периметра припуска с оставлением осталь-
- 54 -
ной части на следующие зубья. Стойкость протяжки в 2 раза выше у этой схемы
резания. Генераторная схема срезает припуск концентрическими слоями при
внутреннем протягивании.[1-3]
По назначению строгальные резцы разделяют на: продольные, подрезные, отрезные и фасонные. Долбежные резцы бывают продольные, подрезные и отрезные. У долбёжного резца есть передняя поверхность и задняя.
Геометрические параметры режущей части строгальных резцов выбираются
такими же как и для токарных резцов . Передние и задние углы на зубьях протяжек измеряют в плоскости перпендикулярной к главной режущей кромке . Передний угол γ выбирают в зависимости от обрабатываемого материала в пределах 5-200. Чем более вязкий материал тем больше должен быть передний угол.
На калибрующих зубьях γ =0-50. Задний угол режущих зубьев находится в пределах 5-100 , на калибрующих – γ = 30’-20 .
Скорость резания при строгании и долблении определяется по формуле:
V=
Cv
;
T m ⋅tx ⋅ S y
(6.13)
В эту формулу вводят дополнительно поправочные коэффициенты на тип
станка. Сила резания при строгании и долблении зависит от тех же факторов,
что и при точении и подсчитываются по аналогичным формулам.
Глубину резания определяют в зависимости от припуска на обработку. Подачу- максимально допустимую по техническим требованиям .Мощность резания
должна быть меньше или равная мощности ползуна станка:
N=
Pz ⋅ V
= N z ⋅η
1020 ⋅ 60
(6.14)
где Рz – тангенциальная составляющая силы резания; V – средняя скорость рабочего хода, м/мин; Nz – мощность электродвигателя; η - КПД.
Скорость резания при протягивании является скоростью поступательного
движения протяжки относительно заготовки. Скорость резания берётся в пределах 2-10 м/мин. Подач ей на зуб Sz называют мощность по высоте двух соседних зубьев протяжки. Sz = 0,01-0,03мм;
Основное (машинное) время за один проход при протягивании:
Т маш =
L ⋅K
(6.15)
где L- длина рабочего хода; К – коэффициент учитывающий обратный ход;
К=1.14-1.5; V – скорость резания;
Sм
Lпер = l + l p + lк + lн
(6.16)
где l – длина протягивания отверстия; lp – длина режущей части протяжки; lк –
длина калибрующей части протяжки; lн – длина направляющей части протяжки.
Сила резания при протягивании складывается из сил, приложенных ко всем
одновременно, участвующим в резании зубьям, для шпоночных и шлицевых
протяжек сила равна:
Pz = 10 ⋅ C p ⋅ S в ⋅ Z ⋅ n ⋅K в⋅К n ⋅ K s ⋅ K α ⋅ K γ
(6.17)
- 55 -
для круглых протяжек:
Pz = 10 ⋅ C p ⋅ S y ⋅ D ⋅ Z ⋅ n ⋅K n⋅К m ⋅ Kα ⋅ K γ
(6.18)
где Ср- коэффициент , характеризующий материал заготовки ;Sz- подача на
зуб; в- ширина шпонки или шлица ;Z- максимальное число одновременно работающих зубьев протяжки; D-диаметр отверстия ; n-число шлицев; у -показатели
степени: Кn; Кm; Кα; Кγ- коэффициенты характеризующие влияние соответственного износа, СОЖ, величин заднего и переднего углов. Скорость резания или
протягивания выражается формулой:
V =
Cv
T ⋅ S zy
m
(6.19)
где Сv-условия обработки; Т-период стойкости инструмента , m и y- показатели степени Назначение режимов резанья и определение скорости резания определяют уже при проектировании протяжки:
Pz ⋅ V
N=
= N z ⋅η
(6.20)
1020 ⋅ 60
Поперечно-строгальные станки применяют для обработки плоских деталей.
Наибольший ход ползуна 400-700 мм. Наиболее распространенная модель станка 7Е35.
Продольно-строгальные станки применяют для обработки горизонтальных,
вертикальных, и наклонных поверхностей. Примером может выступить модель
7212. Долбежные станки применяют для обработки внутренних и наружных поверхностей (шпоночные пазы, канавки и др.). Характерной моделью может выступать станок модель 7Д430.[1,4]
Большинство работ на долбежных станках выполняется с предварительной
разметкой.
Протяжные станки широко применяют в массовом и серийном производствах,
характерная модель 7Б56.
На долбежных станках обрабатывают квадратные, шестеренные, шлицевые и
шпоночные канавки, а также наружные плоскости и линейные поверхности.
Вопросы и задания для самоконтроля
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Привести схему фрезерования поверхности дисковой фрезой.
По каким признакам подразделяются фрезы?
Чем отличается затылованная фреза от острозаточенной?
Привести схему геометрических параметров фрезы и дать определение углов фрезы.
Назвать два способа фрезерования и дать им характеристику.
Привести последовательность выбора режимов резания при фрезеровании.
Указать составляющие силы резания и дать им определение.
Привести формулы для расчета машинного времени, мощности и скорости
при фрезеровании.
Привести настроечные уравнения при использовании делительных головок.
- 56 -
10. Какие типы станков относятся к группам строгальных, долбёжных и протяжных станков?
11. Привести схемы строгания и долбления и модели станков для их осуществления.
12. Резцы для строгания и долбления.
13. Инструмент для протягивания.
14. Какие схемы протягивания используются для повышения производительности?
15. По каким зависимостям определяются скорость, мощность и машинное время при протягивании?
- 57 -
Лекция № 7
ЗУБО- И РЕЗЬБОНАРЕЗАНИЕ. ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ,. РЕЖИМЫ
ОБРАБОТКИ
План
1.Схемы и способы нарезания зубчатых колес.
2.Применяемые режущие инструменты и основные элементы процесса резания.
3.Типы зубообрабатывающих станков для обработки цилиндрических и червячных
колес.
4.Понятие о нарезании конических колес.
5.Отделка зубьев шестерен и отделочные станки.
6.Методы и схемы резьбонарезания.
7.Резьбонарезные станки и их краткая характеристика.
Основным методом нарезания зубчатых колес является механическая обработка
резанием. Неточные зубчатые колеса можно получить отливкой, а профиль зуба малого модуля - накатыванием. По первому методу зубья нарезают копированием или
обкаткой. При зубонарезании копированием профиль инструмента (пальцевые и
дисковые модульные фрезы) определяются профилем впадины нарезаемого колеса
(рис 7.1). К недостаткам метода копирования относятся низкая точность (9-11 степень), в силу конструкции фрезы и кинематической погрешности деления при обработке.[1,3]
Рис 7.1 Схемы зубообработки
копированием а)-дисковой
модульной фрезой; б)- пальцевой модульной фрезой.
1-фреза, 2-заготовка, h-глубина впадины зуба заготовки,
В-ширина зуба, S-подача, Дф диаметр фрезы, Vф - скорость
вращения фрезы.
а)
б)
Профиль впадины зависит от числа зубьев нарезаемого колеса, поэтому для получения высокой точности колес дисковые модульные фрезы, кроме деления по модулям, разделяют еще по номерам. Применяют комплекты, состоящие из 8 ,15 или
26 фрез. При этом, чем больше количество номеров фрез применяется во взятом
комплекте, тем достигается более высокая точность зубьев нарезаемого колеса. На-
- 58 -
бор из 8 фрез применяют для нарезания колес с модулем m ≤ 8мм, набор из 15 фрез
-m ≥ 8мм, и набор из 26 фрез - для нарезания колес повышенной точности.[1]
Схема обката основана на применении обкатывания двух колес, из которых одно выступает в роли заготовки, а второе - режущего инструмента (рис 7.2).
а)
б)
Рис 7.2. Схема нарезания цилиндрических колес червячной фрезой методом обката.
1-режущий инструмент (червячная фреза), 2-заготовка, Sв- вертикальная подача; n3частота вращения заготовки, Vф - скорость вращения фрезы.
Червячная фреза представляет собой режущий инструмент, изготовленный в
виде червяка с прорезанными вдоль оси канавками, образующими режущие зубья
фрезы. Зубья червячной фрезы затылованы для получения на них задних углов. Червячные фрезы могут быть одно- и многозаходными. Ее устанавливают так, чтобы
можно, было прорезать требуемую глубину впадины и чтобы движение подачи S
было направленно вниз для прорезания зубьев по всей высоте заготовки. Фрезы располагают под некоторым углом к торцу заготовки (рис 7.3).
Рис 7.3. Схема установки червячной фрезы при
зубофрезеровании.
При нарезании колес с наклонным зубом ω =
β+α, где β-угол наклона зубьев нарезаемого колеса.
Знак (+) - если витки фрезы и направление винтовой
линии зубчатого колеса различное (правое и левое).
Знак (-) - при одинаковом направлении зубьев
нарезаемого колеса и фрезы. Для прямозубых колес ω = α.
Зубофрезерование бывает чистовое и черновое. Зубчатые колеса с m < 3 нарезают за один проход, а с m > 6 за два-три прохода.
Отделку зубчатых колес производят только для колес повышенной точности.
Подачу при черновом зубофрезеровании применяют в пределах 0,7 - 8 мм на оборот
- 59 -
заготовки, при чистовом Sв = 0,3 - 2,0мм на оборот.
Для фрез быстрорежущих сталей скорость резания составляет 15-50м/мин
На зубофрезерных станках могут нарезаться цилиндрические зубчатые колеса с прямым и косым зубом, а также червячные колеса по 7-9 степени точности и с шероховатостью 5кл (Rz=20мкм).
Машинное время при обработке цилиндрических колес червячной фрезой подсчитывается по формуле.
Т маш =
L ⋅ z ⋅i
n⋅S ⋅K
(7.1)
где Z - число зубьев нарезаемого колеса; n - частота вращения фрезы, S - подача на
оборот заготовки; К - число заходов фрезы; i - число проходов; L =qB+l1+l2 , где Вширина венца,l1 ,l2-врезание и перебег фрезы, q - кол-во одновременно нарезаемых
колес.
Наиболее распространенная модель зубофрезерного станка является 5К32А.
Настройка его ведется по трем цепям для нарезания прямозубых и четырем цепям для косозубых колес. Причем ведущим звеном для настройки последующей цепи является ведомое звено предыдущей настроенной цепи.
Нарезание зубчатых колес долбяками. На зубодолбежном станке можно изготавливать зубчатые колеса с прямым и косым зубом, а также блоки зубчатых колес.
Схема зубодолбления приведена на рис 7.4.
Рис 7.4. Схема зубодолбления прямозубого колеса.
1 - долбяк, 2 - заготовка.
Для обеспечения зубодолбления необходимы
следующие движения: число двойных ходов долбяка
(n дв.х\мин), движение обкатки (вращение долбяка Sкр,об\дв.х),движение деления (вращение заготовки и
движение подачи - Sрад), отвод заготовки в конце
холостого хода долбяка [4].
Скорость резания при зубодолблении подсчитывается по формуле:
2⋅L⋅n
V =
(7.2)
1000
где L- длина хода долбяка; n - число двойных ходов в минуту долбяка.
При зубодолблении достигается точность 6-8 степени, а шероховатость обработанных поверхностей по 6 классу (Rz=2,5мкм).
Машинное время при зубодолблении определяется по следующей формуле
Т маш =
π ⋅m⋅ z
h
+
;
n⋅ Sp
n⋅S
(7.3)
где h - высота зуба; n - число двойных ходов в минуту; Sр - радиальная подача; Z -
- 60 -
число зубьев нарезаемого колеса; S - круговая подача; i - число проходов.
Модель зубодолбежного станка 5М14. Настройка ведется также как и зубофрезерного станка.
Конические колеса бывают с прямым и спиральным зубом. Наиболее распространенными являются три способа нарезания прямых зубьев конических колес: зубофрезерование, зубострогание и зубопротягивание. Нарезание конических колес с
прямым зубом состоит из двух операций - черновое и чистовое.
Черновое нарезание осуществляют на фрезерных станках с делительными головками с учетом припуска 0,3мм, на сторону на чистовое нарезание. Глубину резания берут равную высоте зуба.
Для закаленных колес в качестве отделочной операции применяют притирку и
шлифование; для сырых колес – шевингование и прикатывание.
Притирка - обрабатываемое колесо вводят в зацепление с тремя образцовыми
колесами (притирами) из серого чугуна с НВ160 и производят обкатку сначала в одну, а затем в другую сторону. Обрабатываемое колесо еще совершает возвратнопоступательное движение вдоль своей оси.
Шлифование зубьев выполняют методом копирования или обкатки. При методе копирования профиль круга заправляют по форме впадины колеса. После шлифования каждой впадины обрабатываемое колесо поворачивают на один зуб.
Существует несколько способов шлифования обкаткой. Шлифовальный круг
заправляют по форме зуба воображаемой рейки. В процессе обкатки происходит обработка одной впадины, затем заготовку возвращают в исходное положение и поворачивают на один зуб, после чего процесс обкатки повторяют.[1,4]
Схема шлифования зубьев колес тарельчатыми кругами. Шлифовальные круги
имитируют две разные стороны двух зубьев воображаемой рейки. Их устанавливают
под углом равным углу зацепления и сообщают им вращательное движение. Обрабатываемому колесу придают обкатное движение (сочетание вращательного и поступательного движений) по воображаемой рейке, а также возвратно-поступательное
движение вдоль колеса для шлифования зубьев по всей длине и делительный поворот. За один цикл обработки осуществляется шлифование двух разных сторон у соседних впадин.
При шевинговании инструментом служит шевер - стальное закаленное колесо
с мелкими канавками на поверхности зубьев. Для обработки прямозубых колес используют косозубые шеверы и наоборот.
Холодное прикатывание зубьев трением для колес с m = 4мм, обрабатываемое
колесо вводят в зацепление и тремя закаленными образцовыми зубчатыми колесами,
изготовленными с высокой степенью точности. Процесс прикатки происходит в одну, а затем в другую сторону. Шероховатость обработанных поверхностей после холодного прикатывания - Rа=0,32мкм.
Основным методом изготовления резьб являются - нарезание резьбы на токарных станках резьбовыми резцами или гребенками, метчиками, круглыми плашками и
резьбонарезными головками, фрезерование резьбы, шлифование резьбы, холодное
- 61 -
накатывание резьбы плоскими плашками и круглыми роликами, горячее накатывание резьбы круглыми роликами и др.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Какие факторы определяют профиль режущей кромки зубонарезных инструментов?
2. Почему при зубофрезеровании с тангенциальным движением подачи заготовке
червячного колеса сообщается дополнительное вращение?
3. Какие методы зубоотделки вы знаете?
4. Какие инструменты применяют при зубошевинговании?
5. Что отличает притирку зубчатых колёс от обкатки?
6. Как устанавливается червячная фреза на фрезерном суппорте при зубофрезеровании?
- 62 -
Лекция №8
ШЛИФОВАНИЕ И ДОВОДКА. ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ, РЕЖИМЫ
ОБРАБОТКИ.
План
1.
2.
3.
4.
Процесс шлифования и абразивные инструменты.
Виды и схемы шлифования. Элементы процесса резания.
Шлифовальные станки и работа на них.
Отделочные методы абразивной обработки.
Шлифование – метод обработки при помощи абразивных инструментов.
Шлифование обеспечивает 4-10 класс чистоты обработки (Rа 4,0-0,1). Точность 11 – 6 квалитет.
К абразивным инструментам относят круги для шлифования и затачивания, резания, сегменты, бруски и пасты.
Абразивные сегменты применяют для изготовления наборных кругов, бруски – при ручных работах и других отделочных видах обработки (хонинговании), пасты для полирования и притирки.[1,3]
Абразивные инструменты характеризуются формой и цветом, зернистостью, твердостью и структурой.
К абразивным материалам естественного происхождения относится: алмаз,
корунд, наждак и кварц.
К абразивным материалам естественного происхождения относятся: электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, эльбор, белбор, гекаснит – Р, синтетические алмазы.
Алмазный инструмент выпускают в виде кругов, брусков, эластичных
лент, резцов и паст. Круги применяют для шлифования и заточки, бруски – для
хонингования и суперфиниширования, эластичные ленты – для полирования,
пасты – для притирки.
Типы шлифовальных кругов: Плоский прямой (П.П), плоский прямой с
двухсторонней конической выточкой (ППВДК), кольца (К), чашки цилиндрические (ЧЦ), чашки конические (ЧК), тарелки (Т), диски (Д), бруски: квадратные
(БКв), круглые (БКр), трехгранные (БТ), полукруглые (БПкр), сегменты: плоские
(СП), выпукло-вогнутые (1с,2с).
Маркировка абразивных инструментов состоит из шифра абразивного материала и цвета зернистости, индекса зернистости, твердости, номера структуры,
связки, класса круга, скорости вращения.
Класс круга определяет допуск на его размеры, геометрическую форму, и
некоторые другие параметры. Круги бывают трех классов: АА, А, Б.Круги класса
АА наиболее точные, класс Б – наименее точные. Например маркировка
15А25НС17К1А35м/с обозначает: электрокорунд нормальной марки 15А, зернистость 25, индекс зернистости Н, твердость средняя С1, структура №7, связка керамическая К1, класс круга А1, допустимая окружная скорость – 35м\с.
- 63 -
Кроме характеристики маркируются размеры круга, например: круг ПП
360*247*60.
Алмазный инструмент (круги) маркируются по типу: АС 100\200,где А –
алмаз, С – синтетичный, 100\200 – зернистость, мкм.
Различают наружное круглое, внутреннее круглое, бесцентровое, плоское, фасонное и другие виды шлифования (резьбошлифование, зубошлифование и др.).
Наиболее распространенные схемы шлифования приведены на рис. 8.1
Рис 8.1 Схемы шлифования:
а)-круглое
наружное,
б)круглое врезное, в)-круглое
внутреннее, г)-бесцентровое,
д)-плоское торцом круга, е)плоское
шлифование
периферией круга.
При
скоростном
шлифовании скорость круга
достигает 50-80 м\с, что в 2-3
раза больше нормального.
Износ шлифовального
круга
зависит
от
обрабатываемого материала, характеристики круга, режимов резания. Периодически абразивный круг подвергается правке. При правке с рабочей поверхности
круга удаляются затупившиеся абразивные зерна. Правка круга используется
также для восстановления сложной формы круга и при балансировке. Правят
круги при помощи алмазов, закрепленных в оправе карандашей и металлических шарошек, которые крепятся в держателях.[2]
Элементами режима шлифования являются: глубина резания, продольная
подача, окружная скорость круга заготовки. t – толщина снимаемого слоя за
один ход шлифовального круга. При черновом шлифовании t = 0,001-0,08 мм, а
при чистовом 0,005-0,015. S – продольная подача, мм\об. заготовки при черновом шлифовании (0,03-0,07)В; при чистовом (0,02-0,04)В. Скорость резания
V=
πDk ⋅ nk
1000 ⋅ 60
; где D- диаметр круга; n – частота вращения круга. Обычно Vк =
20-60м\с. Объем металла срезаемого за один оборот детали определяется из зависимости
Q = πD3 ⋅ t ⋅ S
(8.1)
где D3 – диаметр заготовки, мм; t, S – глубина резания и продольная подача.
- 64 -
Сила резания Р, действующая на обрабатываемую заготовку может быть
разделена на три составляющих: касательную, Рz ; радиальную, Py; и осевую, Px
; При этом Px = (1,5-3)Pz (рис 8.2)
Рис 8.2
Схема составляющих сил резания
при шлифовании.
Мощность резания рассчитывают по эмпирической
формуле. Для наружного и внутреннего шлифования:
N k = Cn ⋅ SпрV 0,73 ⋅ S 0,7 поп ,
(8.2)
n
где Cn = Co D3 ⋅ K1 ⋅ K 2 ⋅ K 3 , где C0 - коэффициент для круглого шлифования с
продольной подачей – 0,029, с радиальной подачей – 0,084, n – показатель степени для круглого шлифования – 0,2; внутреннего – 0,3; К1- поправочный коэффициент на твердость круга, для М - К1=0,9; СМ – К1 = 1; С – К1 =
1,16;СТ1;СТ2 - К1 = 1,36; К2 – поправочный коэффициент на ширину круга: при
В=26-40 ;К2 = 0,8; В = 40-60; К2 = 0,9; В = 63-100; К2 = 1; К3 = поправочный коэффициент материала.
Зная мощность резания N можно определить касательную составляющую силы
резания;
1000 N k
(8.3)
Vk
Мощность на вращение заготовки примерно в 60-100 раз меньше мощности круга из-за медленного вращения. Основное время для круглого шлифования
с продольной подачей определяется по формуле:
Pz =
Тшт =
2L ⋅ h ⋅ K
n3 ⋅ S ⋅ t
(8.4)
где L – длина продольного хода стола, мм ; h – припуск на сторону, мм n3 – частота вращения заготовки, мин; S – продольная подача ,мм/ход; t – глубина резания, мм; K- поправочный коэффициент: для чернового шлифования К = 1,2-1,4,
для чистового – К = 1,25-1,3. Если подача происходит в конце хода, то 2L в формуле пишут L.
При выборе режима резания определяют характеристику шлифовального
круга; глубину резания и число проходов, а также продольную подачу в долях
ширины круга. Затем определяют скорость и частоту вращения заготовки и определяют окружную скорость шлифовального круга, а также находят мощность
необходимую для процесса шлифования.
Шлифовальные станки бывают следующих типов: кругло шлифовальные,
внутри шлифовальные, плоско шлифовальные, бесцентровошлифовальные, специальные и заточные. Из них в ремонтных предприятиях с/х профиля наиболее
часто применяют кругло шлифовальные, плоско шлифовальные, а также специ-
- 65 -
альные станки. Например, для шлифования шеек коленчатых валов, кулачков,
распределительных валов и др.[1-3]
Кругло шлифовальный станок модели 3М151 предназначен для шлифования круглых заготовок до диаметра 510мм с закреплением в центрах и продольной подачей круга вдоль оси заготовки
Плоско шлифовальный станок модели 3Е721 ВФ – 1 служит для обработки
плоскостей. Эти станки бывают с расположением шпинделя в горизонтальной
плоскости и работой периферий круга и вертикальным расположением шпинделя, работой торцом круга. Эти станки выпускают с прямоугольным и круглым
столом. Для получения особо высоких классов шероховатости обрабатываемой
поверхности (7-11) и точности обработки (5-7 квалитет) применяют отделочные
методы обработки, к которым относится: притирка, хонингование, суперфиниширование и полирование.[4]
Притирка заключается в удалении с поверхности обрабатываемой заготовки весьма незначительного слоя металла, посредством применения особо мелкозернистого порошка в среде смазки, наносимую на поверхность инструмента называемого притиром.
Хонингование - метод отделочной обработки цилиндрических поверхностей при помощи мелкозернистых абразивных брусков, совершающих вращательное и возвратно – поступательные движения вместе с особой державкой, называемой хоном. Хонингование обеспечивает 9-13 класс шероховатости и 5-7
квалитет точности обрабатываемого отверстия.
Суперфиниширование - окончательная обработка предварительно шлифованных поверхностей при помощи мелкозернистых абразивных или алмазных
брусков,
совершающих осциллирующее движение с целью получения высокого качества поверхности (9-14 класс шероховатости поверхности).
Полирование - обработка при помощи особо мелкозернистой абразивной
пасты, нанесенной на эластичной полированный круг, изготовленный из волока,
кожи, парусины. Этот метод обеспечивает 7-12 класс чистоты обрабатываемой
поверхности.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. В чём заключается особенность шлифования?
2. Рассказать и привести схемы обработки основных методов шлифования
различных поверхностей.
3. Какие абразивные материалы применяют для изготовления шлифовальных
кругов?
4. Какие связующие материалы применяют для изготовления шлифовальных
кругов?
5. Расшифровать характеристику абразивного круга следующей марки
24А40СМ1К56БАА.
6. Как разделяются круги по форме и размеру?
7. Где используют абразивные бруски и пасты?
- 66 -
8. Как маркируются алмазные круги?
9. В чём особенность бесцентрового шлифования?
10. Нарисовать схему составляющих сил резания при шлифовании.
11. Привести эмпирическую зависимость силы и мощности резания при шлифовании.
12. Назвать основные типы шлифовальных станков и дать им краткую характеристику.
13. Какие виды отделочной обработки существуют, и дать им характеристику.
14. В каких случаях используется метод суперфиниширования?
- 67 -
Лекция № 9 .
СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ. ОБРАБОТКА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.
План.
1.
2.
3.
4.
5.
1.Общие сведения о специальных методах обработки.
Электроискровая и электроимпульсная обработка материалов.
Лучевая, ультразвуковая и анодно - механическая обработка.
Обработка поверхностным пластическим деформированием.
Обработка древесины, растительных материалов, пластмасс, резины, керамики и других материалов.
Использование специальных методов обработки происходит в случаях, когда
обработка механическими методами является затруднительной - или экономически неоправданной.
В промышленности все большее распространение получают электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Эти методы разделяются на четыре группы: электрофизические методы обработки токопроводящих материалов; основанные на использовании энергии электрических разрядов, разрушающих обрабатываемый материал (электроискровой и электроимпульсный методы); способы обработки токопроводящих материалов концентрированными лучами с высокой плотностью энергии (светолучевая и электронно-лучевая); методы
импульсного ударного воздействия на заготовку частиц абразива с частотой ударов, соответствующей ультразвуковому диапазону (ультразвуковая обработка);
методы основанные на явлении анодного растворения, состоящего в том, что обрабатываемая заготовка, подключенная к положительному полюсу-аноду, растворяется.
Электрофизическим и электрохимическим методами обрабатывают материалы с низкой обрабатываемостью резанием (твердые и жаропрочные сплавы), а
также заготовки с различными размерами и формами поверхностей, обработка которых обычными механическими методами затруднительна (заготовки с малыми и
криволинейными отверстиями, узкими прорезями, углублениями, сложных форм и
др.).[1]
В основу электроискрового и электроимпульсного методов обработки материалов положен процесс электроэрозии, заключающийся в разрушении под воздействием электрических разрядов, посылаемых источником электрического тока.
Электрические разряды характеризуются малой длительностью энергии (от
1мкс до 1000 мкс) и высокой частотой (1,5 • 106 кГц).
На рис 9.1 приведена схема электроискрового метода обработки.
- 68 -
При соприкосновении электрода
инструмента 3 с контактом 2,
конденсатор 4 разряжается от источника тока 1. при перемещении электрода 3
вниз в момент сближения его с электродом-заготовкой 5 до образования зазора,
измеряемого в микронах (от 0,1-1 мкм), происходит разрядка конденсатора в виде кратковременной вспышки между электродами.
Под воздействием высокой температуры
происходит разрушение металла с образованием
углубления в обрабатываемом материале. При этом
электрод-инструмент, сохраняя межэлектродный
промежуток, постепенно углубляется в обрабатываемую заготовку и придает ей форму,
соответствующую форме электрод- инструмента.
Рис.9.1 Схема электроискровой обработки материалов.
Электроискровую обработку обычно производят в условиях когда электрод-зоготовка включена на анод, а электрод-инструмент - на катод. При этом
происходит более быстрое разрушение материала заготовки. Во избежание перекоса расславленного материала с заготовки на инструмент, процесс производится в диэлектрической жидкости 7 (керосине, машинном масле).
Электроды-инструменты изготавливают из латуни, меднографитовой массы, меди и других токопроводящих материалов.
Электроискровую обработку проводят на черновых, чистовых и отделочных режимах. При черновом режиме энергия единичного разряда составляет 0,55 Дж. При отделочном режиме энергия единичного разряда 0,005-0,05 Дж. Процесс осуществляется на специальных электроискровых станках.
Электроимпульсная обработка представляет собой разновидность электроэрозионной обработки. Этот процесс характеризуется увеличением мощности
единичных разрядов, длительностью импульсов, обратной полярностью (анодинструмент, катод-заготовка), применением пониженных напряжений и относительно большими значениями средних токов. В результате производительность
процесса по сравнению с электроискровой обработкой в 8-10 раз выше. Этот метод позволяет производить обработку на больших площадях (до 240см2 ) с высокой производительностью (до 5000 мм /мин), шероховатость обработанной поверхности на 1-3 класса ниже, чем при обработке электроискровым методом.
На рис. 9.2 приведена схема электроимпульсного метода обработки металлов.
Рис 9.2 Схема
обработки металлов.
электроимпульсного метода
Электрод-инструмент 1 и электрод-заготовка 2,
погруженные в ванну 3 с жидкостью, присоединяются
- 69 -
через выпрямитель 4 к машинному
преобразователю 5, преобразующему
переменный ток промышленной частоты в ток повышенной частоты низкого напряжения. Жидкой средой служат масла низкой вязкости (индустриальное,
трансформаторное) керосин и др. В межэлектродном пространстве возникают
электрические разряды определенной длительности, сопровождающиеся выделением теплоты, под воздействием которого происходит разрушение металла на
поверхности электродов.[1]
Недостатком электроискрового и электроимпульсного метода обработки
является малая стойкость электрода-инструмента, который приходится заменять
после обработки 5-10 деталей.
Электроимпульсную обработку производят на электроимпульсных станках,
на которых обрабатывают пресс-формы, вырубные, просечные и чеканочные
штампы и прошивают отверстия любой конфигурации в закаленных деталях.
Электроэрозионное шлифование является одним из разновидностей электроэрозионной обработки. Удаление металла при данном виде шлифования происходит под действием импульсных разрядов между вращающимся электродоминструментом и заготовкой. Электроэрозионное шлифование может быть аналогично абразивному: круглым, внутренним и плоским. Обработку производят при
напряжении постоянного тока 25-З0В и токе 5-300А. В зону резания подается
масло или обработка ведется под слоем масла.
Обработка электродом-проволокой применяется для прецизионной вырезки
заготовок простой и сложной конфигурации, реже щелей, снятия больших пропусков с заготовок и др. Схема обработки электродом-проволокой представлена
на рисунке 9.3. Тонкая проволока (диаметром от нескольких микрометров до
0,5мм) из латуни, меди или вольфрама, подключенная к катоду, перематывается с
одной катушки на другую.[1]
Рис 9.3 Схема обработки электродом проволокой.
Заготовка, подключенная к аноду, имеет подачу на
проволоку. Таким способом обрабатывают детали (вырубные штампы, части призматических резцов и др.) из твердых сплавов, полупроводниковых материалов, вольфрама, магнитных материалов. Точность обработки 0,005мм, шероховатость обработанной поверхности 0,63- 1,25мкм. Производительность процесса оценивают площадью обработанной поверхности (по
контуру обработки) в единицу времени.
Светолучевую обработку материалов производят при помощи оптических
квантовых генераторов-лазеров, которые создают узкие направленные пучки видимого света с чрезвычайно высокой плотностью тепловой энергии на единицу
площади. С помощью лазеров можно производить обработку (образование отверстий, резку, сварку) сверхтвердых и тугоплавких материалов. Лазеры бывают
- 70 -
трех видов: твердотельные, газовые и
жидкостные. Схема кристаллического
лазера приведена на рисунке 9.4. В эллиптическом корпусе 1 расположены в фокальных осях синтетический рубиновый стержень 2 и ксеноновая импульсная
лампа 3 с электродом 4 для поджига импульсной лампы. Стержень 2 - основной
рабочий элемент, изготовляемый из розового рубина. Стержень диаметром 2010мм и длиной 20-300мм с высокой степенью параллельности торцовых плоскостей имеет одну торцовую поверхность, полностью отражающую световые лучи
(полость посеребрена), а другую - частично отражающую. При вспышке импульсной лампы 3 происходит непосредственное световое облучение рубинового
стержня 2, а также облучение отражением от зеркала эллиптического корпуса.
Часть энергии, излучаемой импульсной лампой 3 в виде голубого и зеленого излучения, поглощается рубином и обеспечивает его возбуждение. Свет в рубине
много-кратно отражается от посеребренных торцов и усиливается.[1]
Рис 9.4 Схема твердотельного лазера.
Примерно через 0,6 миллисекунды от начала облучения (когда возбуждение рубина превысит определенную величину) через частично посеребренный торец выходит световой импульс
высокой энергетической плотности. Излучение
лазера концентрируется на обрабатываемой заготовке с помощью оптической системы.
С помощью лазерных установок получают
отверстия диаметром 0,01. . .0,6 мм в заготовках
толщиной 0,1. . . 6 мм, режут заготовки толщиной до 9 мм из стали, тугоплавких и цветных
сплавов, алмаза, рубина, керамики и др.
При электронно-лучевой обработке формируется электронный луч с потоком энергии значительной концентрации. Фокусирование электронного луча в
какой-либо точке обрабатываемой заготовки создает очень высокую температуру, при которой материалы плавятся и даже испаряются. Обработка ведется в
глубоком вакууме (до 10-7 Па).
На рисунке 9.5 приведена схема установки для электронно-лучевой обработки. В камеру располагается катод 3 (электронная пушка), создающий облако
свободных электронов, образование которых происходит за счёт термоэлектронной эмиссии.
Рис.9.5 Схема установки для электронно-лучевой обработки.
С помощью электронно-магнитных систем (магнитная линза
- 71 -
4 и отклоняющая система 5 электроны
формируются в направленный и
сконцентрированный луч 3. В держателе и подающем механизме 6 располагается
заготовка 7. Источник 8 обеспечивает ток высокого напряжения. В качестве источника тока могут применяться импульсные генераторы. Вакуум в установке
создается диффузионным насосом 9. Люк 10 служит для установки заготовки. Рабочее напряжение в электронной пушке достигает 150 000 В.
С помощью электронного луча можно получить поток энергии громадной
концентрации.
Электронно-лучевую обработку целесообразно применять для получения
мелких отверстий в твердых труднообрабатываемых материалах и резки твердых
заготовок из вольфрама, титана, твердых сплавов, синтетических камней. При
этом методе обработки можно получить диаметр отверстия или ширину реза 1-2
мкм. Метод применяется для сварки и плавки металлов. Недостаток метода - необходимость проведения обработки в глубоком вакууме, что значительно усложняет процесс.[1]
При ультразвуковом методе обработки материалов инструменту придают
колебания высокой частоты (свыше 20 тыс. колебаний в секунду) с небольшой
амплитудой (0,01. . .0,06 мм). Жидкость (чаще вода), омывающая инструмент и
обрабатываемую деталь, содержит большое количество мелких абразивных зерен,
зернистостью 150- 180 мкм. Весовое соотношение абразива к воде от 1 : 1 до 1 :2.
Эти зерна под воздействие ультразвуковых колебаний попадают в пространство
между электродами и осуществляют съем металла.
Для получения ультразвуковых колебаний применяют пьезоэлектрические и
магнитострикционные преобразователи.
Ультразвуковая обработка стальных деталей обеспечивает получение шероховатости поверхности до 9-го класса и точности до 5 мкм. На рисунке 9.6 приведена схема установки с магнитострикционным преобразователем.
Рис 9.6 Схема ультразвуковой обработки.
Электрические колебания от звукового генератора 1 усиливаются усилителем 2 и
поступают в катушку 6 вибратора 4, который, создавая переменное магнитное поле,
заставляет сердечник и инструмент 7 колебаться с высокой частотой. Постоянные
магниты 5 получают питание от селенового
выпрямителя 3.
Производительность ультразвуковой обработки зависит от обрабатываемого
материала и мощности установки. Так, удельная производительность при обработке стекла до 4000, а твердого сплава до 40 мм3/мин·кВт.
Анодно-механическая обработка находит применение для резки металла и
заточки инструментов. При анодно-механической обработке используют постоян-
- 72 -
ный ток напряжением 20-30В. Силу
тока выбирают в зависимости от
размеров обрабатываемой детали (80-300А). Деталь соединяют с положительным
полюсом источника тока, а обрабатывающий токопроводящий инструмент - с отрицательным, между которыми вводится рабочая жидкость (водный раствор жидкого стекла).
Под действием электрического тока на поверхности обрабатываемой заготовки образуется защитная плёнка, обладающая высоким электрическим сопротивлением. Обрабатывающий инструмент непрерывно удаляет значительную
часть пленки с поверхности детали и тем самым открывает возможность прохождения тока через обрабатываемую поверхность детали.
В результате электрохимического действия и электроискрового процесса
происходит снятие металла.
Электроабразивная обработка основана на электрохимическом растворении
твердого сплава при одновременном механическом удалении продуктов растворения из зоны обработки.
При этом используется электропроводный абразивный круг, который является одновременно и катодом, и инструментом, удаляющим анодную пленку.
Электроабразивная обработка проводится на постоянном токе при напряжении 2032В в токе до 50 А.
Электроалмазное шлифование применяется для плоского и круглого шлифования, а также для заточки инструмента.
Применяются алмазные круги на металлической связке зернистостью 10/12
и до 160/125 при 100 %-ной концентрации.
При электроалмазном шлифовании достигается высокая производительность (до
900 мм3/мин), шероховатость поверхности - до 11-го класса.
Резание неметаллических материалов - анизотропного типа. Резание стебельных
материалов.
Наиболее распространенным типом анизотропных материалов с упруговязкими свойствами являются растительные, которые подвергаются кошению, резанию, измельчению на части и т.п.
Резание стеблей растений лезвиями является одним из тех родственных технологических процессов, объединенных общим понятием «обработка резанием».
По данным В.П. Горячнина растительные материалы можно резать при расположении клина нормально к обрабатываемому материалу и перемещая его по двум
взаимно-перпендикулярным направлениям - нормально и параллельно лезвию. В
первом случае процесс называется рубкой, второй - скользящее резание. Перед резанием происходит уплотнение материала и последующее деление.
Резание растительных материалов сложный процесс. Разделение их на части
происходит от напряжений растяжения, сжатия и сдвига при деформации клеток.
Разрушающее контактное напряжение на кромке лезвия можно рассчитать
из следующей зависимости.
- 73 -
σр =
1000 Р рез
, Н/мм2
δ
где Ррез - сила резания, Н; δ - острота кромки лезвия, мм.
На рис
(9.1)
9.7 приведено силовое взаимодействие лезвия с материалом.
Рис 9.6 Силовое взаимодействие лезвия с
материалом.
Из рис 9.7 можно определить мощность резания:
N=Pсж·sin β +Pобщ·cos β
(9.2)
Для качественного резания угол заточки лезвия должен находится в пределах 30° -15о. Полное усилие Р, необходимое для внедрения клина в материал, выражается уравнением:
γ
γ
2
2
Р = Р1 + 2N sin + 2N tg ϕ ·cos
(9.3)
где Р1 - усилие, необходимое для внедрения клина без учета фасок; N sin
γ
2
- со-
ставляющая нормального давления без учета силы трения; Ntgϕ - сила в плоскости фаски, преодолевающая силу трения.
При внедрении лезвия в материал его кромка испытывает не только сжатие,
направленное к острию по биссектрисе угла заточки но и изгибающее воздействие
со стороны материала в следствии его изотропности (рис 9.7). Поэтому, реакция
силы резания, приложенной к кромке лезвия, отклонена от биссектрисы угла заточки на угол ψ = γ +
β
2
.
Разрушение материала под кромкой лезвия происходит вследствие упруговязкого обтекания им кромки лезвия. При этом локализованный объем материала
находится под всевозрастающим давлением сжимающего усилия, возникающего
между поверхностью кромки лезвия и нижними слоями материала.
Это обуславливает превышение напряжений возникающих при деформации
автономных отрезков материала.
Под износостойкостью лезвия понимают его способность противостоять упругому воздействию материала, сопротивляться нагрузкам и сохранять свою за-
- 74 -
данную режущую способность.
Долговечность лезвия тем выше, чем больше ширина ножа «в» предназначенного для образования лезвия, чем больше угол β, чем выше износостойкость
лезвия Тп и чем меньше разность между заданным δ, и оптимальным острием лезвия. Наиболее распространенным ортотропным материалом для условий резания
является древесина и древесные материалы.
Причина ортотропии древесины лежит в макро- и микростроении. Можно
считать, что природная целлюлоза древесноволокнистая, имеющая области с микрокристаллическим строением, определяющим анизотропию всех свойств древесины. К этому следует добавить ярко выраженную неоднородность древесины по
горизонтальным кольцам, а также ряд структурных особенностей, присущих в
большей степени различным породам древесины.
Древесина имеет слоисто-волокнистое строение, причем анатомические
элементы древесины не имеют правильной геометрической формы. Этим и объясняется определяющее влияние на сопротивляемость резанию вдоль волокон и в
поперечном к длине волокон направлениями. При торцевом резании положение
полости по которой происходит резание, совпадает с направлением волокон.
Ортотропия древесины проявляется в трех направлениях параллельно плоскости слоев, перпендикулярно плоскости слоев и торцовое.
Типы резания древесины приведены на рис 9.8.
Рис. 9.8.Схемы резания древесины: 1 - торцовое;
2 - торцово-поперечное; 3 - поперечное; 4 продольное-боковое; 5 - плоско-продольное; 6 поперечно-продольное (угловое).
Резец по дереву (рис 9.9) имеет две грани переднюю, по которой сходит стружка и заднюю, которая обращена к обработанной поверхности. Острие резца, образованное пересечением передней и задней
гранями дает режущую кромку. Вся острая часть резца называется лезвием. Угол
между задней и передней поверхностями называется углом заострения β.
Рис (9.9) Резец по дереву: ά - задний угол; δ угол резания; β - угол заострения; γ - передний
угол. 1 - резец; 2- передняя поверхность; 3 заготовка.
Торцовое резание самое тяжелое. Его в
2-2,5 раза тяжелее осуществить, чем вдоль волокон. При резании волокон резец
движется параллельно заготовке в поперечном направлении. Стружка получается
толстой, а образованная поверхность - шероховатой. Поперечное резание является
- 75 -
самым легким. Оно в 2-3 легче резания
вдоль волокон.
При обработке древесины резанием применяются различные операции: пиление, строгание, долбление, фрезерование и др. Резание пилами осуществляют
вдоль и поперек волокон. Для продольного пиления принимаются пилы с косоугольными зубами и острым углом резания, направленным наклонно в сторону
резания. Для поперечного распиливания зубья пил имеют вид равнобедренного
треугольника (рис 9.10), позволяющего производить распиливание древесины без
холостого хода при движении пилы в обе стороны. Зубья такой пилы имеют двухстороннюю заточку для перерезания волокон.
Пилы для смешанного пиления имеют увеличенные зубья в виде прямоугольных треугольников с прямым углом, направленным в сторону пиления.
Рис 9.9 Зубья пилы по дереву:
а) для поперечного резания; б) для торцевого
резания; в) продольного резания; г) для продольного резания под углом.
Результирующее движение резания является следствием нескольких одновременно осуществленных движений: главного движения резания (V), главного движения подачи (Vs), вспомогательного движения со скоростью (Vв). Вектор скорости результирующего движения (Vр) равен:
Vp=V + Vs + Vα
(9.4)
Мощность на резание выражают по формуле:
N = Ft –V; или N = k·b·h·y3
(9.5)
где: Ft - окружная сила резания, Н; V - скорость резания, м/с; к - удельная
работа резания, Дж/см2; b - ширина пропила, мм; h - высота пропила, мм; V5 - скорость подачи, м/с.
Затупление резца значительно повышает силу резание, волокна древесины не
перерезаются, а сдавливаются и разрываются. Терние резца о стружку и опилки
требует
дополнительных
усилий
и
ведет
к
нагреванию
резца.
Резание хрупких материалов (угля, камня, чугуна, углеродистых материалов
и др.) происходит без существенных пластических деформаций (рис 9.11), при этом
резание считается хрупким, если для его протекания и завершения достаточно упругой энергии резания, т.е. если существует закритическая стадия лезвийного квезихрупкого роста трещины, когда высокая скорость ее распространения исчезает в
зависимости от энергосбережения. Работа угольных комбайнов основана на процессе резания угла инструментами несколько похожими на строгальные резцы.
- 76 -
Рис 9.11 Схема резания хрупких материалов.
Режущие инструменты для выемочных машин бывают следующих типов: зубок- инструмент для режущих цепей; резец - для фрезерных головок. Он
похож на зубок но отличается от них более массивной державкой и большей длиной.
Камни делятся на три группы: твердые, средней твердости, гранит,
диорит, спеллит и др., содержащие минералы повышенной твердости.
Для обработки гранита применяют два способа: абразивный и ударный.
Первый из них охватывает обрезку, шлифование, ко второму способу относятся распиливание камня и все виды обтесывания, выполняемые инструментом ударного действия.
Граниты очень плохо поддаются резанию из-за их высокой абразивности и твердости, что обуславливается высоким содержанием кварца (30-40%)
наиболее твердого из всех породоразрушающих материалов.
Для механической чистовой обработки гранита предложен новый способ
ударного и ударно-вращательного фрезерования при помощи пневматических и
бурильных молотков, с помощью специальной твердосплавной бугард-фрезы состоящая из стального, корпуса со вставками из твердого сплава (рис 9.12).
Рис.9.12 Схема бугард-фрезы для ударно- вращательного
резания камня.
Технологический процесс обработки резанием
осуществляется на механизированных предприятиях в
две стадии. Первая- производит обработку камня по
форме и размерам; вторая- включает фактурную обработку камня, при которой его форма, как правило, не изменяется, обрабатывается только лицевая поверхность
изделия – ей придается гладкая с блеском, либо заранее
определенная степень шероховатости.
Распиливание блоков из мрамора и других материалов, практически полностью осуществляется алмазными кругами (рис. 9.13)
Рис. 9.13 Алмазный круг для резки камня.
Необходимая конфигурация детали из пластмасс,
заданная конструктором может быть получена
прессованием, литьем под давлением и другими
- 77 -
методами. Однако многие виды особо
точных деталей с жесткими допусками
часто необходимо изготавливать методом точения.
Вопросы и задания для самоконтроля.
1. Привести общую характеристику специальных методов обработки.
2. В чем суть электроискрового метода обработки? Привести схему указанного
метода.
3. В каких случаях используется электроимпульсный метод обработки?
4. В чем заключаются недостатки методов электроискровой и электроимпульсной обработки?
5. В чем сущность процесса электроэрозионного шлифования?
6. В чем заключается смысл электроннолучевой обработки материалов?
7. Какие типы лазеров используется для обработки материалов?
8. В каких случаях используются ультразвуковые методы обработки материалов?
9. В чем заключается особенность лезвийной обработки стебельных материалов?
10. Особенность обработки ортотропных (древесных) материалов.
11. Особенности обработки хрупких материалов.
12. Обработка камня, способы и инструменты.
13. Обработка пластичных и вязких материалов (пластмасс, резины и т.п.)
- 78 -
Литература
1. Некрасов Н.Н. Обработка материалов резания. М., ВО «Агропромиздательство», 1988, - 336с.
2. Ящерицин П.И. и др. Теория резания. Физические и тепловые процессы в
технологических системах. Учебник для вузов/ П.И. Ящерицин, М.Л. Еременко, Е.Э. Фельдштейн. – Мн., Высш. Шк. 1990 – 512с.
3. Гапонкин В.А. и др. Обработка резанием, металлорежущий инструмент и
станки. Учебник для средних специальных учебных заведений по машиностроительным специальностям / В.А. Гапонкин, Л.К. Лукашев, Т.Г. Суворова. – М.: Машиностроение, 1990 – 448с.
4. Ящерецин П.И., Ефремов В.Д. Металлорежущие станки. Учебник для втузов. Мн.:БГАТУ,- 2001 г -446с.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
608
Размер файла
2 712 Кб
Теги
лекция, раздел, конспект, технология, конструкционных, резания, материалы, материаловедению, курс
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа