1.3.2 Механические методы обработки

Методы обработки заготовок можно условно разбить на две группы: механические и физико-химические. Механические методы обработки появи­лись давно, они составляют, и будут составлять, основу современной техно­логии машиностроения. Механические методы основаны на работе режущего клина, образованного металлическим или абразивным элементом инструмента. Такой клин никогда не бывает с геометрически безупречным лезвием, наоборот, его режущая кромка всегда закруглена. В результате разнообразных физико-химических процессов, сопровождающих резание, и влияния технологической системы целенаправленно формируются показатели качества детали.

Наибольшее распространение имеют лезвийные методы обработки заготовок (точение, фрезерование, сверление, протягивание, развертывание и др.). Для этих методов удовлетворительно решается вопрос о достижении точности заданного размера. В отдельных случаях точение может конкурировать с методом шлифования по точности размера, формы и шероховатости. Особым преимуществом метода является отсутствие шаржирования обработанной поверхности абразивными частицами.

Методы лезвийной обработки заготовок получили дальнейшее развитие в связи с применением современных режущих материалов, допускающих существенное повышение скоростей резания. Это в свою очередь способствовало созданию новых более быстроходных и жестких металлорежущих станков. Установлено, что новые сверхтвердые материалы - эльбор-Р (композит 01) - обеспечивают высокое качество деталей из высокотвердых материалов. Их износостойкость при точении в 5…20 раз выше, чем у твердосплавных и минералокерамических резцов. Это означает, что технологическая система в этом случае будет работать стабильнее, так как более редкая смена инструмента способствует стабильному функционированию технологической системы при мало-изменяющихся силовых параметрах, связанных обычно с затуплением режу­щего инструмента.

Все методы лезвийной обработки используют в основном на начальных этапах технологических процессов. Полагая, что показатели качества деталей будут обеспечены на финишных операциях, основное внимание часто обращают на решение вопросов производительности. При этом назначают предельные режимы обработки, этим создают неравновесные системы в материале деталей, поверхностные слои получают большие напряжения. Основные положения технологической наследственности нарушаются, а качество деталей при видимом обеспечении геометрических форм и шероховатости снижается. Поэтому выбор методов обработки следует проводить не только с позиций выполнения плана цеха или предприятия, но и с позиций анализа показателей качества.

Заключительные этапы технологических процессов неизменно связы­ваются с использованием механических методов обработки абразивным или алмазным зерном. Метод шлифования получил наибольшее распространение. При этом обеспечение точностных параметров деталей в производственной практике не представляет трудностей, обработка может проводиться с долемикрометрической точностью. Однако получение малых по величине отклонений формы на финишных операциях по прежнему представляет собой серьезную технологическую проблему.

На первое место в проблеме обеспечения малых отклонений формы выходит уменьшение колебаний системы. Основное значение приобретает аналити­ческое описание колебаний группы элементов, связанных с заготовкой, и группы элементов, связанных с инструментом. Существенное значение имеет перенос волнистости шлифовального круга на наследственно-волнистую поверхность детали, а также учет следов, оставшихся от предшествующей обработки.

Методы шлифования принципиально отличаются от методов лезвийной обработки в наследственном плане потому, что после лезвийной обработки в технологическом процессе могут быть предусмотрены операции термической обработки, которые играют роль основных «барьеров», препятствующих передаче вредных наследственных свойств деталей. После шлифования термических операций не предусматривают, что налагает большую ответственность на проведение процесса шлифования, назначение режимов резания и выбор инструмента. Так, например, цементируемые стали характеризуются плохой шлифуемостью, что проявляется в их склонности к появлению прижогов, трещин и возникновению дефектных слоев значительной глубины

К другим методам обработки связанным абразивным зерном относят хонингование и суперфиниширование. В данной области проведено огромное число исследований с акцентированием внимания на конструкции хонов и головок для суперфиниширования. Так, на смену обычным хонам с плавающими брусками приходят хоны с алмазными брусками на эластичных связках, так называемые гибкие хоны, представляющие собой нейлоновые щетки с закрепленным на каждом их волоске абразивным шариком.

Свободное абразивное зерно (порошки) очень активно применяют для повышения качества деталей. При использовании такой обработки очень большое значение имеет исходная шероховатость поверхности, приобретенная на предшествующих операциях. Эксплуатационный профиль поверхности, способный удерживать смазочные материалы, возникает как результат и предшествующей и проведенной операций. Эти же соображения относятся и к доводке свободными абразивами, в частности пастами. Сам по себе метод доводки не имеет себе равных по точности размера и формы. Но эти условия могут быть обеспечены лишь в том случае, если заготовка, предназначенная для доводки, имеет очень высокую предварительно обеспеченную точением или шлифованием точность.

Изменение физико-механических свойств поверхностных слоев проис­ходит во всех случаях обработки, поскольку на эти слои оказывается силовое и тепловое воздействия. Явления, возникающие в сравнительно тонких поверхностных слоях, существенным образом изменяют природу слоя. Достаточно отметить, что только микротвердость поверхности в отдельных случаях может увеличиваться в 4 раза. Глубина наклепанного слоя после обработки лезвийным инструментом в среднем составляет от 0,1 до 0,25мм, а при тяжелых условиях доходит до 1,0мм. При этом, естественно, возникают остаточные напряжения, существенно отличающиеся от напряжений основного материала. В среднем остаточные напряжения достигают значений 980…1275МПа и распространяются на глубину 0,5…0,7 мм. Влияние напряжений поверхностных слоев на показатели качества полностью связано со служебными свойствами деталей. Если, например, речь идет о стабильности формы детали в ходе ее эксплуатации, то наличие в поверхностном слое напряжений обоих знаков оказывается нежелательным. Если в качестве показателя качества выступает сопротивление усталости и износостойкости детали, то однозначно можно утверждать, что необходимо в поверхностных слоях иметь напряжения сжатия.

Для обеспечения качества по показателю выносливости необходимо при­менять специальную упрочняющую технологию, основанную на поверхностно-пластическом деформировании заготовок. Обработка состоит в воздействии на поверхность упрочняющих роликов, шариков, дроби и других элементов для деформирования материала поверхности, что связано с дроблением зерен, сдвиговыми явлениями, вытягиванием и формированием в своеобразные цепочки кристаллов, расположенных на поверхности. Процесс поверхностного упрочнения позволил, например, увеличить долговечность подшипников качения в 5…6 раз.

Назначение различных методов упрочняющей технологии - обеспечение служебных свойств деталей. Следовательно, методы упрочнения необходимо использовать на основе раскрытия связей показателей предшествующих и проводимых операций.