4.23. Инструментальные материалы и скорости резания для обработки жаропрочных сталей, жаропрочных и титановых сплавов.

Вид материала	Инструментальный материал		Скорость резания , м/мин
	Быстрорежущая сталь	Твердый сплав	Быстрорежущая сталь	Твердый сплав
Жаростойкие стали (табл. 4.17)	Р12Ф2К8М3 Р9К5 Р9М4К8Ф	ВК8. ВК8В ВК6ОМ, ВК3М ВК10М, КНТ-16	30…40 20…30 25..35	120…140 110…130 120…150
Жаропрочные стали (табл. 4.18)	Р12Ф2К5М3, Р9М4К8Ф	ВК6М, ВК8, ВК6ОМ, ВК3М	12…20 20…28	50…60 100…120
Жаропрочные сплавы на никелевой основе (табл. 4.19, 4.20)	Р9М4К8Ф, Р12Ф2К8М3 Р18Ф2К8М	ВК8, ВК6ОМ ВК6М, ВК15ОМ ТТ10К8Б,ВК3М	8…12 6…10 5…10	40…50 20…25 18…20
Титановые сплавы (табл. 4.22)	Р8М3К6С Р9М4К8Ф, Р9К10	ВК3М, ВК8 ВК6ОМ, ВК4	18…25 25…35	50…70 70…100

В последние годы для повышения производительности обработки резанием труднообрабатываемых сталей и сплавов применяют режущий инструмент повышенной работоспособности за счет нанесения на его рабочие поверхности упрочняющих износостойких покрытий.

Наибольшее применение нашли следующие способы упрочнения инструмента:

а) конденсация газообразных соединений из газовой среды с образованием твердых пленок на поверхности режущего инструмента;

б) конденсация веществ из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки (способ КИБ).

Контрольные вопросы к главе 4

1. Дайте главные характеристики процессов точения, строгания и долбления.

2. Дайте характеристику процессов сверления и рассверливания.

3. Дайте характеристику процессов зенкерования и развертывания.

4. Опишите конструкцию токарного станка.

5. Опишите конструкцию сверлильного станка.

6. Опишите процесс цилиндрического фрезерования.

7. Дайте характеристику зубофрезерования червячными фрезами.

8. Перечислите основные элементы фрезерных станков.

9. Что представляют собой основные геометрические параметры токарного резца?

10. Опишите геометрические параметры спирального сверла.

11. Дайте характеристику геометрических параметров цилиндрической фрезы.

12. Каковы основные виды шлифования?

13. Дайте характеристику абразивных материалов.

Глава 5. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

5.1. Основные понятия. Классификация

Основным направлением развития машиностроения на совре­менном этапе является повышение эффективности производства и качества изделий во всех его отраслях. Намечены пути комплексной автоматизации машиностроения. Поставлена задача ускоренного внедрения современных систем программного и адаптивного управ­ления, предусматривается широкое применение кибернетических, в том числе счетно-решающих устройств, прежде всего микропро­цессорной техники для построения комплексных легкопереналаживаемых производственных систем, управляемых ЭВМ.

На современном этапе развития машиностроения происходит коренное изменение методов производства - от обрабатывающих систем с раздельным формированием станка, инструмента, приспо­соблений - к автоматическим, с использованием единых обрабаты­вающих систем - технологических модулей.

Они представляют собой единую систему, включающую станок, инструмент, приспо­собления, в том числе загрузочные, контрольные и регулирую­щие устройства. Вследствие этого решение инженерных задач анализа все чаще заменяется постановкой задач синтеза необходи­мой обрабатывающей системы, исходя из заданных типоразме­ров, принятых для производства деталей. Изменяется и поста­новка задач выбора рациональных условий обработки; до по­следнего времени она выполнялась путем оптимизации операции только по одному из критериев (стойкости инструмента), максима­лизации или минимизации других (соответственно производитель­ности и экономичности) при наложении ограничений по заданным на операцию технологическим показателям, прежде всего точности обработки и качеству.

Для эффективного использования обрабаты­вающих систем новых типов необходимы многокритериальные сред­ства оптимизации — инженерные методы совокупного рассмотрения этих показателей в целях оптимизации, прежде всего с помощью ЭВМ, операционного технологического процесса в целом. Учиты­вая изложенное, в настоящей работе уделено основное внимание по­строению обобщенных методик проектирования операционных тех­нологических процессов в целом; при этом показано, что оно возможно только на основе применения системных методов анализа, использо­вания структурных, физических, математических и конструктивных моделей типовых процессов обработки.

Электрические методы обработки находят все более широкое при­менение; это объясняется особенностями, свойственными этим спо­собам:

- производительной обработкой материалов независимо от их проч­ностных характеристик;

- возможностью изготовления деталей сложных форм (типа штам­пов, пресс-форм), недоступных другими методами обработки (напри­мер, фильеры для искусственного волокна);

- малоотходным разделением заготовок по любым траекториям сложного профиля;

- простотой автоматизации процессов обработки, программного и адаптивного управления более простыми средствами.

Электроэрозионный метод обработки используют для снятия ма­териала с заготовки явлением электрической эрозии, поэтому он носит название электроэррзионной обработки (ЭЭО). При изготов­лении отверстия любой формы (рис. 5.1, а) электрод-инструмент1поступательно перемещается в заготовке2 со скоростьюv_u. Обра­ботка осуществляется в ванне4, заполненной диэлектриком3 (керо­син, масло, вода).

Рис. 5.1. Схемы электроэрозионной (а), электрохимической (б), электроконтакт­ной (в) и анодно-механической обработки металлическим (г, д)

и абразивным (е) инструментом

Продукты электроэрозионного разрушения мате­риала заготовки выбрасываются из рабочего зазора (между электро­дами δ_р) и оседают на дно ванны. Явление электрической эрозии возникает в рабочем зазоре в тот момент, когда импульсное напря­жениеU_KM между заготовкой и инструментом достигает определенной величины, достаточной для электрического разряда, при котором протекают процессы нагревания, ионизации и распада вещества рабочей среды. В плазме выделяется джоулева теплота, а переход зарядов через границу между плазмой и электродами приводит к образованию импульсных тепловых потоков. Схема переноса элек­трического заряда приводит к периодическому образованию лунок разрушения на электроде-заготовке. Интенсивное выделение джоулевой теплоты вызывает формирование газообразных продуктов рас­пада рабочей среды (газовых пузырей), поток которых выбрасывает продукты разрушения заготовки в рабочий зазор.

Электроэрозионная обрабатываемость материалов определяется временем, необходимым для нагревания поверхности заготовки. Режимы ЭЭО определяются полярностью и электрическими пара­метрами импульсов электронов. Полярность электронов опреде­ляется условиями обеспечения максимального съема материала с электрода-заготовки и минимального разрушения электрода-ин­струмента.

В связи с этим применяют два способа включения элек­тродов. Прямая полярность используется в том случае, когда като­дом является инструмент; обратная полярность применяется на операциях, при которых катодом служит заготовка. Большая произ­водительность достигается при обратной полярности. Так, если принять обрабатываемость углеродистой стали за единицу, то обра­батываемость чугунов будет 0,6 - 1,0, коррозионностойкой стали 1,2 - 1,3, жаропрочных сталей 1,3 - 2,7, твердых сплавов 0,09 - 0,32, магниевых и алюминиевых сплавов 1,2 - 1,6.

Производительность ЭЭО для типовых операций определяется прежде всего мощностью генератора, параметрами импульса и видом рабочей жидкости (табл. 5.1).

Типовые режимы ЭЭО делятся на две грулпы: электроискровые (ЭИсО) и электроимпульсные (ЭИмО). При режимах электроискровой ЭЭО применяются искровые разряды, для которых характерны ма­лая длительность существования (менее 1 мкс). Режимы электроимпульсной обработки отличаются от электроискровой:

- применением обратной полярности (инструмент—анод);

- использованием униполярных импульсов длительностью 1000 мкс;

- работой преимущественно на низких напряжениях (25—30 В) и больших силах тока (50—500 А);

- использованием в качестве источников тока машинных генерато­ров импульсов низкой и средней частот (400—3000 Гц).

При ЭИмО более высокая по сравнению с ЭИсО производительность (5000—15 000 мм/мин)³, но более низкое качество поверхности (Ra = 5 - 20 мкм).

Таблица 5.1

Поэтому во многих случаях целесообразно при­менение комбинированной ЭЭО, когда предварительная обработка осуществляется на режимах ЭИмО, а окончательная чистовая на режимах ЭИсО.

Электроискровые режимы ЭЭО применяют для обработки любых токопроводящих материалов, независимо от механических свойств последних. Так, например, очень трудно изготовить отверстие диа­метром 0,1 мм в заготовке из закаленной стали или твердого сплава, еще сложнее изготовить отверстия с криволинейным каналом. Элек­троискровой способ легко осуществляет эти операции, так как действующие силы при ЭЭО настолько малы, что они не в состоянии деформировать электрод-инструмент (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Операционный технологический процесс ЭЭО осуществляется ме-ханоэлектрической обрабатывающей системой, включающей станок, обеспечивающий необходимое взаимное положение и перемещение электрода-инструмента и электрода-заготовки, систему автоматиче­ского регулирования рабочего зазора и генератор импульсов (ГИ). Он преобразует электрическую энергию промышленной частоты в необходимые для ЭЭО периодические импульсы высокой частоты; для этой цели обычно используют широкодиапазонные транзистор­ные генераторы импульсов, а для обработки сталей и твердых спла­вов в воде — генераторы коротких импульсов.

Рациональные области применения ЭЭО сводятся, в первую оче­редь, к обработке материалов независимо от их физико-механиче­ских свойств (твердости, вязкости и т. п.). Поэтому рекомендуется применять эти методы прежде всего при обработке труднообрабаты­ваемых металлов и их сплавов (твердые сплавы, закаленная сталь, вольфрам, молибден и т. п.), а также при изготовлении деталей нежесткой конструкции и при прошивке узких щелей, пазов, отвер­стий малого диаметра (табл. 5.3).

Таблица 5.3

Электроэрозионное разрезание осуществляется дисковыми и про­волочными электродами-инструментами. Ленточными электродами производится разрезание поршневых колец, когда требуется рез не шире 0,15—0,2 мм, а также для получения глубоких тонких щелей при заготовительных операциях дорогостоящих металлов и сплавов. Разрезание проволочными электродами применяется при изготовлении прецизионных деталей различных приборов. Ширина реза 30—50 мк.

Скорость перемещения ленты или проволоки 0,5—5 мм/с. Лента или проволока обычно перематывается с одной катушки на другую. Одна приводится во вращение, а вторая притормаживается.

Электроэрозионная обработка малых отверстий' широко приме­няется во многих отраслях машиностроения. К малым отверстиям принято относить круглые отверстия диаметром менее 0,5 мм, прямо­угольные и фасонные отверстия площадью менее 1 мм². Сверление круглых отверстий диаметром менее 0,3 мм представляет большие трудности, а изготовить щелевые или фасонные отверстия механиче­ским путем в большинстве случаев невозможно.

При электроэрозионной обработке круглых отверстий малого диаметра в качестве электрода-инструмента применяется проволока из латуни Л62. Длительность обработки отверстия диаметром 0,15^+0,01 на глубину 2 мм - 3,5 мин, на глубину 3 мм - 12 мин, диа­метром 0,35^+0,01 на глубину 3 мм - 6,5 мин. Условия обработки: U = 170 В, I = 0,4 А. Элек­трод-инструмент — проволока из латуни Л63; материал обрабаты­ваемой детали — сталь 50ХФА, рабочая жидкость — керосин.

Электроэрозионное шлифование выполняется с невысокой ско­ростью вращения инструмента. Производительность электроэрозион­ного шлифования при обработке твердых сплавов и литых магнит­ных сплавов в несколько раз выше производительности абразивного шлифования. Режим: U = 220 В, I = 50 А.

Диско­вый электрод-инструмент из чугуна СЧ 15; скорость вращения v = = 0,6 м/с; рабочая жидкость (соляровое масло); производительность обработки твердого сплава ВК8 достигает 2 г/мин, а магнитного сплава 18 г/мин. При отделочных режимах может быть получена шероховатость поверхности твердого сплава Ra = 0,32^0,68 мкм, а магнитного Ra = 1,25-2,5 мкм.

Особо эффективно применение ЭЭО при изготовлении штампов и пресс-форм, что позволяет значительно в 2 - 3 раза снизить трудо­емкость изготовления, а в ряде случаев, например, при изготовле­нии ковочных штампов, на 20 - 30 % повысить стойкость. В настоя­щее время более 30 % всех штампов и пресс-форм изготовляют методами ЭЭО.

Одной из оригинальных схем применения ЭЭО является электро­эрозионное проволочное резание. Обработка производится непрофилированным электродом-инструментом. Проволока, которая перематывается с одной катушки на другую, подключается к отрицательному полюсу источника питания, обрабатываемая деталь - к положи­тельному. Обработка производится в среде диэлектрической жид­кости или в жидкости с малой проводимостью (дистиллированная или водопроводная вода).

Этот метод используется для разрезания заготовок, обработки по контуру, прорезки узких щелей и пазов в деталях из труднообрабатываемых металлов и их сплавов. Так, на­пример, применение электроэрозионного вырезания в инструмен­тальном производстве при изготовлении вырубных штампов позво­лило более чем в 2 раза снизить трудоемкость их изготовления. В основном производстве применение этого метода обработки позво­лило реализовать новые конструктивные решения в деталях, так как практически в настоящее время только этим методом можно получать пазы и резы от 0,1 до 0,2 мм. Создание высокочастотных генераторов позволило в 3 – 5 раз повысить производительность серийно выпускаемых станков.

Электрохимическая размерная обработка (ЭХО) основана на явлении анодного растворения металла, осуществляемого при про­хождении тока через электролит, подаваемый под давлением в зазор между электродами.. Скорость растворения металла прямо пропор­ционально связана с плотностью тока, которая будет больше там, где меньше зазор. По мере обработки происходит выравнивание плотности тока в зоне обработки, а значит, и межэлектродного за­зора. Электрод-инструмент 1 в процессе обработки является катодом, а обрабатываемая деталь 2 — анодом (см. рис. 5.1, б).

Изменение межэлектродного зазора вызывает изменение гидродинамических условий и перераспределение плотности тока и, как следствие, копирование профиля катода. Интенсивное движение жидкости обес­печивает стабильное и высокопроизводительное течение процесса анодного растворения, вынос продуктов растворения из рабочего зазора и отвод теплоты, возникающего в процессе обработки.

По мере снятия металла с заготовки-анода происходит подача инструмента-катода. Давление электролита контролируется манометрами, очистка его осуществляется центрифугой. Таким образом, установка для ЭХО состоит из источника питания, механизма, обеспечивающего данную" кинематическую схему обработки, гидросистемы, обеспечивающей подачу электролита в рабочий зазор и его очистку, и контрольных устройств.

ЭХО применяется для изготовления деталей из всех токопроводящих материалов независимо от их физико-механических свойств; этот метод применяется при обработке наружных (табл. 5.4) и вну­тренних (табл. 5.5) поверхностей на операциях прошивки, обработки фасонных полостей, при обработке деталей типа труб, лопаток турбин, для отверстий, снятия заусенцев, шлифования.

В качестве электролита при ЭХО чаще всего применяется водный раствор хлористого натрия благодаря его малой стоимости и отно­сительно длительной работоспособности, которая обеспечивается за счет непрерывного восстановления в растворе хлористого на­трия.

Таблица 5.4

Продолжение табл. 5.4

Таблица 5.5

Продолжение табл. 5.5

Электрохимический метод обеспечивает сравнительно высокую производительность (до 5—7 мм/мин) и шероховатость Ra = 0,32 мкм, при этом обеспечивается отсутствие заусенцев, поверх­ностных дефектов и напряжений, износ инструмента.

Эффективность применения ЭХО на разных операциях различна: она меняется от снижения трудоемкости в 80 – 100 раз на операциях объемного гравирования до снижения трудоемкости в 2 – 2,5 раза на операциях обработки ковочных штампов и пресс-форм.

Комбинация методов обработки с использованием электрического и механического воздействия имеет несколько разновидностей. Схема электроконтактного резания показана на рис. 5.1, в. На стальной диск 1, являющийся электродом-инструментом, и разрезаемую заготовку 2, погруженную в воду, подается напряжение от источника постоянного тока 3 через токосъемные устройства 4 и 5. Заготовке и электроду-инструменту придается вращение. Диск принудительно подается на деталь.

Для электроконтакного резания применяют переменный ток силой 10-25 А безопасного для работы напряжения 10-22 В. Удаление металла из зазора между электродами происходит в результате расплавления и частичного испарения металла заготовки с последующим выбросом его воздушным потоком, создаваемым в зазоре между электродами и вращающимся диском.

Окружная скорость диска при электроконтактной резке может достигать 6) м/с. Стальной диск с изоляционным покрытием торцовых поверхностей почти не подвергается изнашиванию. Например при резке литых траков стойкость диска в 25 раз больше, чем стойкость абразивного круга.

Метод анодно-механической обработки заключается в комбинированном механическом, электроэрозионном и электрохимическом воздействиях на материал срезаемого слоя (рис. 5.1, г, д). Заготовку 1 (анод) и режущий диск 2 (катод) включают в цепь постоянного тока. В зазор между ними подают электролит, обычно жидкое стекло (водный раствор силикатов натрия). Вследствие анодного растворения на заготовке образуется защитная пленка, которая разрушается диском. Между выступающими участками электродов происходят электрические разряды, вызывающие эрозию – процесс анодно-механического резания.

Анодно-абразивная обработка является чистовым процессом, при котором механическое действие осуществляется абразивным инструментом. Наиболее распространенным видом этой обработки является анодно-механическое шлифование (рис. 5.1, е). Электропроводящий шлифовальный круг, состоящий из абразивных зерен, электропроводящего наполнителя и связки, соединяется посредством скользящего контакта с отрицательным полюсом источника постоянного тока, то есть круг одновременно является катодом и режущим инструментом.

При использовании анодно-абразивного шлифования получается зеркальная блестящая поверхность с R_a = 0,04…0,16 мкм при малом уровне структурных изменений и остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемой детали. Комбинированные анодно-абразивные методы обработки приведены в табл. 5.6.

Таблица 5.6