Ермолаев Технологические процессы в машиностроении 2011

Координатные оси токарного станка с ЧПУ: ось вращения заготовки – ось z; направление, перпендикулярное к оси z в горизонтальной плоскости – ось х. Положительные направления осей: оси z

– слева направо от шпинделя станка; оси х – от линии центров станка (рис. 8.1. б).

По такой схеме осуществляют наружную обработку ступенчатых валов или растачивание ступенчатых отверстий.

Контурная система ЧПУ (см. рис. 8.1, б) обеспечивает автоматическое перемещение исполнительного органа станка по произвольной траектории с контурной скоростью υSk, заданной программой управления. В данном случае имеем два cовместных и взаимосвязанных движения υSпр и υSп исполнительных органов станка (продольного суппорта и салазок поперечной подачи). По такой схеме осуществляют обработку конических и фасонных поверхностей заготовок. Можно обтачивать наружные цилиндрические поверхности, если υSп = 0, или подрезать плоские торцы, если υSпр = 0. Под контурной скоростью движения подачи понимают результирующую скорость двух подач.

Если обрабатываемая поверхность имеет сложную криволинейную образующую, то в этом случае в системе ЧПУ используют линейные, круговые или линейно-круговые интерполяторы. Использование интерполяторов позволяет заменить (аппроксимировать) сложную образующую поверхности более простыми элементами: дугами окружностей, отрезками прямых, что значительно упрощает разработку программы.

Рассмотрим особенности обработки заготовок на типовых токарных станках с ЧПУ.

Обработка заготовок на патронно-центровом токарном станке с ЧПУ (мод. 16К20Ф3С5). Станок предназначен для обработки наружных и внутренних поверхностей заготовок типа тел вращения со ступенчатым или криволинейным фасонным профилем за один или несколько проходов в замкнутом полуавтоматическом цикле, а также для нарезания резьб. Число используемых инструментов – 6.

Устройство ЧПУ – контурное типа Н221М – обеспечивает движение формообразования (Dr, DSпр, DSп), изменение в процессе об-

211

работки поверхностей заготовки скоростей движения подач и частоты вращения шпинделя, индексацию поворотного резцедержателя. Число управляемых координат (всего/одновременно) 2/2. Программоноситель – восьмидорожечная перфолента.

В патронных станках с ЧПУ и инструментальными магазинами для смены инструментов используют автооператоры, работа которых осуществляется по заданной программе: снятие инструмента, окончившего работу, из резцедержателя – перенос его в соответствующее гнездо магазина – поиск следующего, необходимого для обработки заготовки, инструмента – захват его из магазина – установка, инструмента в резцедержателе станка.

Обработка заготовок на токарноревольверном станке с ЧПУ (мод.1В340Ф3). Конструкция токарно-револьверного станка с ЧПУ схожа с конструкцией центрового токарного станка, новместо задней бабки на горизонтальных направляющих станины установлен револьверный суппорт. Суппорт обеспечивает движения продольной и поперечной подач инструмента. Гидрофицированный отрезной суппорт с однокоординатным поперечным перемещением обеспечивает отрезку готовой детали от заготовки-прутка, пропускаемого сквозь полый шпиндель станка.

На станках обрабатывают сложные детали со ступенчатым и криволинейным профилем в условиях серийного и мелкосерийного производств. Станок выпускают двух модификаций: для обработки заготовок из прутка и для обработки штучных заготовок.

Устройство ЧПУ – типа «Электроника НЦ-31»; число управляемых координат (всего/одновременно) 2/2; программоноситель – электронная память. Оператор обрабатывает заготовку с помощью средств ручного управления, а с помощью элементов автоматического управления формирует управляющую программу. Электронная память станка позволяет вести обработку всех последующих заготовок в автоматическом цикле.

Гидросхема станка, управляемая по заданной программе, обеспечивает подачу прутка на заданную длину заготовки, закрепление заготовки с заданной силой, поворот и закрепление револьверной головки, рабочие и вспомогательные перемещения револьверной головки и отрезного суппорта, работу устройства для авто-

212

матической разгрузки деталей, контроль давления в линиях нагнетания и закрепления.

Обработка заготовок на токарно-карусельных станках с ЧПУ. Токарно-карусельные станки могут быть одностоечные (мод. 1512Ф3 и 1516Ф3) и двухстоечные (мод. 1А525МФ3 и 1А532ЛМФ3). Карусельные станки имеют два суппорта – верхний с револьверной головкой и боковой для установки резцов; три суппорта – верхний с револьверной головкой и верхний и боковой для установки резцов.

На токарно-карусельных станках обтачивают наружные и растачивают внутренние цилиндрические и конические поверхности, обтачивают фасонные поверхности, сверлят, зенкеруют и развертывают центральные отверстия, обтачивают наружные и внутренние кольцевые канавки, галтели, фаски, обтачивают плоские торцовые поверхности и нарезают резьбы резцами. Использование специальных приспособлений позволяет выполнять на этих станках фрезерные и шлифовальные работы (фрезерование плоскостей, пазов шлифование плоских торцовых поверхностей).

На станках ведут многоинструментную обработку одновременно нескольких поверхностей заготовки. На рис. 8.2 показана схема обработки заготовки большого диаметра. Обработку ведут тремя инструментами. Наружная цилиндрическая поверхность обта-

колеса обтачивается подрезным резцом, который закреплен в резцедержателе верхнего суппорта. Движение подачи резца горизонтальное. Растачивание отверстия выполняется расточными резцами, установленными в револьверной головке. Обработку ведется при вертикальном движении подачи головки.

Токарно-карусельные станки предназначены для обработки крупных тяжелых заготовок: например, на одностоечном станке с ЧПУ мод. 1512Ф3 можно обрабатывать заготовки диаметром до 1250 мм и высотой до 1000 мм. Станок имеет устройство ЧПУ типа Н55-2, которое обеспечивает автоматическое управление по заданной программе вертикальным суппортом с револьверной головкой и приводом главного движения резания. По программе проис-

213

ходят автоматическое изменение частоты вращения карусели с заготовкой, управление продольными и поперечными движениями подачи револьверной головки с инструментами; изменение величины подач, нарезание резьб, поворот и фиксация револьверной головки, установка инструмента в нулевое положение. Число управляемых координат (всего / одновременно) 2/2. Программа записывается на восьмидорожечной перфоленте. Система ЧПУ замкнутая – с датчиками обратной связи, регистрирующими и контролирующими величину перемещений инструментов. Дискретность отсчета перемещений по осям равна 0,01 мм.

Рис. 8.2. Схема обработки заготовки на токарно-карусельном станке

Обработка заготовок на токарных многоцелевых станках.

Конструкция деталей машин требует не только обработки поверхностей, имеющих форму тел вращения. Часто приходится выполнять фрезерную обработку – фрезерование пазов, лысок, канавок или обработку отверстий, не соосных с осью вращения детали или расположенных под углом к ней. В таких случаях в условиях работы роботизированных гибких, автоматизированных систем используют токарные многоцелевые станки. Подобные станки имеют дополнительные шпиндели, которые обеспечивают вращательное движение инструментам: фрезам, сверлам, разверткам. Станки имеют две револьверные головки. В одной из них устанавливают резцы, в другой – инструменты с вращательным движением.

214

Возможны обработка поверхностей заготовок с движениями продольной подачи вдоль оси в поперечном направлении, управление поворотом на определенный угол и индексация шпинделя, что позволяет останавливать и закреплять шпиндель в любом заранее запрограммированном положении по углу поворота.

Магазины инструментов имеют 8–25 инструментов, смена которых происходит автоматически в соответствии с циклом обработки поверхностей заготовки. Для смены инструментов станки снабжают автооператором, работающим по программе.

Вопросы для самоконтроля

1.Дайте определение составляющих режима резания и назовите их размерности.

2.Что понимают под схемой обработки поверхности заготовки?

3.Какова физическая сущность процесса резания?

4.Назовите факторы, влияющие на размерную точность обрабатываемых поверхностей.

5.Назовите факторы, определяющие качество поверхностного слоя обработанных поверхностей деталей машин.

6.Назовите критерии обрабатываемости конструкционных материалов.

7.Назовите основные типы станков токарной группы.

8.Назовите системы ЧПУ, используемые для управления работой токарных станков.

9.Перечислите основные виды поверхностей, обрабатываемых на токарных станках.

215

Тема 9. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ И ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ

9.1.Характеристика электрофизических

иэлектрохимических методов обработки

Развитие всех отраслей промышленности, особенно авиационной и ракетно-космической техники, привело к использованию материалов со специальными эксплуатационными свойствами: сверх твердых, весьма вязких, жаропрочных, композиционных. Обработка заготовок из этих материалов обычными методами (способами) механической обработки весьма затруднительна или невозможна вообще. Поэтому параллельно с разработкой этих материалов создавались принципиально новые методы (способы) обработки. Характерно, что при механической обработке в технологическом оборудовании электрическая энергия превращается в механическую и за счет силового воздействия инструмента (штампа, резца, фрезы, шлифовального круга и т.д.) на заготовку происходит ее формоизменение (формообразование).

Электрофизические и электрохимические (ЭФЭХ) методы обработки основаны на непосредственном воздействии различных видов энергии (электрической, химической и др.) на обрабатываемую заготовку. При обработке заготовок этими методами отсутствует силовое воздействие инструмента на заготовку или оно настолько мало, что практически не влияет на суммарную погрешность обработки. Эти методы позволяют изменять форму обрабатываемой поверхности заготовки и влиять на состояние поверхностного слоя. Так, в некоторых случаях наклеп обработанной поверхности не образуется, дефектный слой незначителен, удаляются прижоги поверхности, полученные при шлифовании, повышаются коррозионные прочностные и другие эксплуатационные характеристики поверхностей деталей.

Кинематика формообразования поверхностей деталей ЭФЭХ методами об работки, как правило, проста, что обеспечивает точное регулирование процессов и их автоматизацию. ЭФЭХ методы обработки являются универсальными и обеспечивают непрерыв-

216

ность процессов при одновременном формообразовании всей обрабатываемой поверхности. При этом появляется возможность обрабатывать очень сложные наружные и внутренние поверхности заготовок.

Технологическое оборудование для ЭФЭХ методов обработки, так же как и металлорежущие станки, оснащается системами ЧПУ. Внедрение их в различных отраслях промышленности обеспечивает получение значительного экономического эффекта. Классификация ЭФЭХ методов обработки по их физической сущности показано на рисунке 1.

Электроэрозионная обработка. При электроэрозионной обра-

ботке (ЭЭО) используют явление эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсов электрического тока. Заготовку и инструмент, изготовленные из токопроводящих материалов, подключают к источнику тока – генератору импульсов (ГИ) и помещают в диэлектрическую жидкость (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема процесса ЭЭО

При сближении электрода-инструмента (Э-И) и электродазаготовки (Э-З) на расстояние в несколько микрометров (10–50 мкм) между микровыступами на Э-И и Э-З возникает электриче-

217

ский разряд и образуется канал проводимости (рис. 9.1, а), в котором от катода к аноду движется поток электронов.

Навстречу этому потоку движутся более тяжелые частицы – ионы (рис. 9.1, б). Электроны быстрее достигают поверхности анода. Поэтому энергия электрического разряда смещается ближе к поверхности заготовки (Э-З). Температура электрического разряда достигает 10 000–12 000 °С. При такой температуре происходят мгновенное оплавление и частичное испарение элементарного объема материала заготовки. При этом время протекания разряда чрезвычайно мало. Поэтому процесс выделения энергии сопровождается явлением микровзрыва. За счет этого оплавившиеся частицы металла выбрасываются в окружающую среду (рис. 9.1, в), охлаждаются диэлектрической жидкостью и застывают в виде малых шариков (0,01–0,005 мм), образуя шлам – продукт эрозии. В результате на поверхности анода образуется сферическое углубление – лунка. Поверхность катода также подвергается частичному эрозионному разрушению.

Следующий разряд произойдет в том месте, где расстояние между инструментом и заготовкой окажется минимальным. Так образуется вторая лунка на поверхности заготовки. При воздействии серии электрических импульсов с анода удаляется слой материала. Непрерывность процесса обеспечивается за счет подачи Э-И. Постоянство межэлектродного зазора обеспечивается автоматически с помощью следящих систем.

Обработанная поверхность представляет собой совокупность лунок (рис. 9.1, г), глубина которых определяет шероховатость поверхности.

Помимо шероховатости обработанная поверхность характеризуется следующими показателями:

-вследствие мгновенного нагрева поверхности заготовки до температуры плавления металла и резкого охлаждения в среде диэлектрической жидкости возни кают температурные напряжения, приводящие к возникновению микротрещин;

-за счет нагрева до высоких температур и возможного поглощения углерода из окружающей среды в поверхностном слое происходят структурные изменения и, с учетом быстрого охлаждения

218

твердость поверхностного слоя значительно повышается по сравнению с твердостью основного материала стальной заготовки;

- под действием высокой температуры в зоне оплавления основной материал вступает в химическую реакцию с отдельными элементами материалов электрода-инструмента и диэлектрической жидкости, что ведет к изменению химического со става поверхностного слоя.

При малой длительности импульсов (5–200 мкс) поверхности катода успевает достичь лишь малая доля ионов. Поэтому поверхность катода значительно меньше подвергается эрозионному разрушению по сравнению с поверхностью анода. Именно поэтому анодом делают заготовку (Э-З), а катодом – инструмент (Э-И). Такую полярность называют прямой (см. рис. 9.1, а). При большей длительности импульсов (2·102–105 мкс) многие ионы успевают достичь поверхности катода, и, обладая большей энергией по сравнению с потоком электронов, вызывают интенсивную эрозию катода. В этом случае обработку осуществляют при обратной полярности: Э-И является анодом, а Э-З – катодом.

В зависимости от параметров импульсов и используемого оборудования ЭЭО подразделяют на электроискровую, электроимпульсную, высокочастотную и электроконтактную.

При электроискровой обработке используют прямую полярность, т.е. Э-И подсоединяют к катоду, а Э-З – к аноду. Генератор импульсов настраивают на со ответствующие режимы обработки. Продолжительность импульса составляет 20–200 мкс. Величина энергии импульса регулируется подбором емкости конденсаторов.

При увеличении емкости конденсатора накапливаемый запас энергии возрастает и, следовательно, повышается производительность процесса. В зависимости от количества энергии, расходуемой в импульсе, режим обработки делят на жесткий или средний (для предварительной обработки) и мягкий или особо мягкий (отделочной обработки). Мягкий режим обработки позволяет получать размеры с точностью до 0,002 мм при шероховатости поверхности Ra

0,63 –0,16 мкм.

Обработку ведут в ваннах, заполненных диэлектрической жидкостью. Жидкость исключает нагрев электродов (инструмента и

219

заготовки), охлаждает продукты разрушения, уменьшает боковые разряды между инструментом и заготовкой, что повышает точность обработки.

Для обеспечения непрерывности процесса обработки необходимо, чтобы зазор между инструментом-электродом и заготовкой был постоянным. Для этого электроискровые станки снабжают следящей системой и механизмом автоматической подачи инструментов. Инструменты-электроды изготовляют из меди, латуни, медно графитовых и других материалов.

В эрозионных станках используют различные ГИ электрических разрядов: RC (резистор – емкость); RLC (L – индуктивность); LC; ламповые генераторы. В промышленности применяют широкодиапазонные транзисторные ГИ. Эти генераторы потребляют мощность 4 – 18 кВт при силе тока 16 – 125 А. Эффективность обработки составляет 75 – 1900 мм3/мин при шероховатости обработанной поверхности 4 – 0,2 мкм.

Электроискровым методом обрабатывают практически все токопроводящие материалы, но эффект эрозии при одних и тех же параметрах электрических импульсов различен. Зависимость интенсивности эрозии от свойств металлов называют электроэрозионной обрабатываемостью. Если принять электроэрозионную обрабатываемость стали за единицу, то для других металлов ее можно представить в следующих относительных единицах: твердые сплавы 0,5; титан – 0,6; никель – 0,8; медь -1.1, латунь – 1,6; алюминий – 4; магний – 6.

Электроискровым методом целесообразно обрабатывать твердые сплавы, труднообрабатываемые металлы и сплавы, тантал, молибден и другие материалы.

Электроискровым методом (рис. 9.2) получают сквозные отверстия любой формы поперечного сечения (а), глухие отверстия и полости (б), фасонные отверстия и полости по способу трепанации (в), отверстия с криволинейными осями (г); вылезают заготовки из листа (д), выполняют плоское, круглое и внутреннее (е) шлифование, разрезают заготовки, клеймят детали.

Электроискровую обработку применяют для изготовления деталей штампов и пресс-форм, фильер, режущего инструмента, дета-

220