Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

Ультразвуковое оборудование для алмаз­ ной обработки. В Японии, США, Германии для этой цели разработаны специальные ульт­ развуковые станки. При изготовлении деталей небольшими партиями целесообразно приме­ нять ультразвуковые головки с пьезокерамическими преобразователями, которые быстро монтируются на существующих металлорежу­ щих станках (сверлильных, фрезерных, рас­ точных), в том числе и с ЧПУ.

В табл. 2.7.10 приведены характеристики ультразвуковых головок, разработанных в МАИ.

2.7.3 УЛЬТРАЗВУКОВОЕ СНЯТИЕ ЗАУСЕНЦЕВ

Эрозионная активность звукового поля существенно возрастает при добавлении в жидкость мелких абразивных зерен, радиус которых соизмерим с радиусом действия ударной волны, возникающей при захлопыва­ нии кавитационной полости. Ультразвуковое снятие заусенцев с мелких деталей (см. рис. 2.7.2, а) проводится в ванне, заполненной водно-глицериновой смесью, в которой взве­ шены зерна абразива. Кроме чисто кавитаци-

онного разрушения наиболее слабых участ­ ков-заусенцев, происходит дополнительная обработка их абразивными зернами. При воз­ никновении акустических течений зерна абра­ зива и детали из-за различной плотности и

снятие заусенцев размером до 0,1 мм [2].

В России этот способ усовершенствован путем создания в ультразвуковой ванне избы­ точного статического давления (0,4 ... 0,6 МПа), что позволило значительно интенси­ фицировать процесс снятия заусенцев (в 10 раз и более) [14].

Кавитационные пузырьки образуются в месте соединения заусенца с деталью. При атмосферном давлении малые пульсации пу­ зырьков обычно не приводят к разрушению заусенцев, а при повышении давления до 5 МПа заусенцы разрушаются через несколь­ ко секунд. Установлена избирательность про­ цесса: в первую очередь разрушается место соединения заусенца с деталью и ее острые кромки, а поверхность самой детали почти не имеет следов эрозии.

Технологический процесс

Сверление отверстий и фрезерование канавок алмазным инструментом в неметаллах (D = 1 ... 3,0 мм)

Сверление отверстий и фрезерование канавок алмазным инструментом в неметаллах (D = 3 ... 20 мм)

Шлифование плоскостей алмазным инструментом ( / = 0 ... 60 мм)

Сверление, зенкерование, развертывание металлов (фрезерование концевыми фрезами) (fif = 2 ... 5 мм)

Выглаживание металличе­ ских поверхнстей алмаз­ ными и эльборовыми на­ конечниками (/? = 0,5 ... 4 мм)

табл. 2.7.10) можно быстро установить на су­ ществующих металлорежущих станках токарных, сверлильных, фрезерных. Эффек­ тивность ультразвука существенно зависит от амплитуды колебаний.

В табл. 2.7.11 приведены рекомендуемые значения амплитуды ультразвуковых колеба­ ний инструментов.

2.7.11. Рекомендуемые значения амплитуды колебаний А^ мкм

Вылет инструмента должен бьггь равен длине полуволны (Х/2) и иметь высокое со­ противление усталости. При обработке отвер­ стий малого диаметра (D < 5 мм) можно при­ менять обычные конструкции режущих инст­ рументов и крепить их к ультразвуковой ко­ лебательной системе с помощью цангового патрона.

Инструменты — метчики для нарезания резьбы более 8 мм отличаются от стандартных наличием резьбового хвостовика для закреп­ ления в концентраторе-волноводе.

Расчет резонансной длины метчика L,

работающего в режиме продольных колеба­ ний, ведут аппроксимируя метчик по длине L тремя участками а, Ь, с с постоянными пло­ щадями соответственно Fi, /2» ^з

Уравнение собственных частот имеет вид [6]:

,_ (^l/^2)tgH^(^3/i^2)tgfa)

где к - волновое число; к = со/С; ю = 2nf ; С - скорость звука в материале метчика. Рабочая частота/может бьггь 18; 22 или 44 кГц.

Ультразвук наиболее эффективен при нарезании резьбы малого и среднего диаметра

вжаропрочных и титановых сплавах. Приме­ нение ультразвука частотой 22 ... 44 кГц и амплитудой 3 ... 5 мкм позволяет повысить производительность процесса до 3 раз (за счет уменьшения количества метчиков в комплек­ те) и период стойкости инструмента до 1,5-2 раз, а также устранить случаи разрушения метчиков. Ультразвуковые колебания позво­ ляют получить хорошее качество резьбы даже

втаких вязких материалах, как медь.

Весьма эффективно применение ультра­ звука при отделочных процессах абразивноалмазной обработки - суперфинишировании, хонинговании, доводке (притирке).

В табл. 2.7.12 приведены сравнительные данные по обрабатываемости наружным ал­ мазным хонингованием - обычном (А-О) и ультразвуковом (А> 0), где Q - производи­ тельность (MMV(MHHCM2). Брусок АСМ 40/28 Ml 100 % [9].

При ультразвуковой доводке отверстий алмазосодержащим инструментом целесооб­ разно возбуждать ультразвуковые колебания, ориентированные определенным образом относительно обрабатываемой поверхности. На предварительных операциях - нормальные колебания, обеспечивающие интенсивное исправление исходной погрешности формы отверстия. На отделочных операциях - попе­ речные колебания, направленные перпенди­ кулярно вектору скорости резания и каса­ тельно к обрабатываемой поверхности отвер­ стия.

Амплитуда А поперечных ультразвуко­ вых колебаний должна находится в пределах 0,07cfa < А< 0,16й/а, причем большие значения следует принимать для меньшей зернистости алмазного инструмента.

Направление колебаний оказывает влияние и на шероховатость поверхности. Наибольшая шероховатость наблюдается при доводке с нормальными колебаниями; попе­ речные колебания обеспечивают шерохова­ тость в 1,2-1,5 раза меньшую, чем при довод­ ке без ультразвука. В табл. 2.7.13 приведены зависимости шероховатости отверстий от дав­ ления Per и амплитуды колебаний А [S].

6.Марков А.И. Ультразвуковая обработ­ ка материалов. М.: Машиностроение. 1980. 237 с.

7.Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Ма­ шиностроение. 1968. 365 с.

8.Марков А.И., Бекренев Н.В. Ультра­ звуковая доводка отверстий алмазным инст­ рументом / Прогрессивные технологические процессы и оборудование ЭФХК обработки. МДНТП. 1989. С. 88-93.

9.Марков А.И., Ермак П.А. Ультразву­ ковое алмазное хонингование сталей // Вест­ ник машиностроения. 1982. № 4. С.52-55.

10.Марков А.И., Устинов И.Д. Ультра­ звуковое алмазное выглаживание деталей и режущего инструмента. М.: Машиностроение. 1979. 54 с.

П.Марков А.И., Устинов И.Д. Ультра­ звуковое алмазное сверление и фрезерование хрупких неметаллических материалов. М.: Машиностроение. 1979. 40 с.

12.Муханов И.И. Импульсная упроч­ няюще-чистовая обработка деталей машин ультразвуковым инструментом. М.: Машино­ строение. 1978. 44 с.

13.Орлов П.Н., Сагателян Г.Р. Доводка труднообрабатываемых материалов свободным абразивом с наложением ультразвуковых ко­ лебаний. М.: Машиностроение. 1983. 80 с.

14.Ультразвук: Маленькая энциклопе­ дия, под ред. И.П. Голямина. М.: Советская энциклопедия. 1979. 400 с.

15.Markow А.J. Ultrasonic machining of intractable materials, London, Jliffe books btd. 1966. 386 p.

16.Марков А.И. Оптимизация и управ­ ление процессом ультразвукового резания // Вестник машиностроения. 1996. № 10. С. 1922.

17.Марков А.И., Ивкин Ё.И., Бекренев Н.В. Ультразвуковая интенсификация глубо­ ких отверстий // СТИН. 1996. № 12. С.23-27.

18.Марков А.И., Ивкин Е.И. Ультразву­ ковая интенсификация процессов резания труднообрабатываемых материалов. В сб.: Машиностроение, приборостроение, энерге­ тика. М.: МГУ, 1995. С. 44-48.

Глава 2.8

КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Комбинированные методы обработки совмещают воздействие нескольких физикохимических явлений. Простые методы обра­ ботки, в отличие от комбинированных, ис­ пользуют один вид энергии с одним способом

подвода ее в зону резания. Так, например, широко распространенная механическая об­ работка применяет механическую энергию при равномерном относительном движении инструмента и заготовки.

Промышленное освоение комбиниро­ ванных методов обработки обладает тремя безусловными достоинствами. Они обеспечи­ вают значительное повышение производи­ тельности и позволяют при использовании одной и той же обрабатывающей системы, т.е. на одном рабочем месте, путем регулирования последовательно осуществлять как черновую, так и чистовую обработку. Таким образом, освоение комбинированных методов обработ­ ки приводит к повышению как производи­ тельности обработки, так и качества деталей. Кроме того, в ряде случаев освоение комби­ нированных способов обработки позволяет достигнуть новых технических эффектов, на­ пример, значительно увеличить прочность, износостойкость и достигнуть других эксплуа­ тационных параметров деталей. Наглядным примером, показывающим изложенные дос­ тоинства комбинированных методов, является например (см. ниже), анодно-механическая обработка.

2.8.1. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

Комбинированные методы обработки классифицируются по следующим основным признакам:

1) числу и наименованиям подводимых физико-химических воздействий;

2)способу подвода каждого воздействия

взону обработки;

3)характеру размещения физикохимических воздействий в пространстве и во времени;

4)количественным характеристикам со­ вмещаемых воздействий (прежде всего энер­ гии каждого из них) и соотношений их зна­ чений между собой.

Число и наименование подводимых физи­ ко-химических воздействий - первый признак - делит комбинированные методы обработки на классы. Первый класс - методы обработки, использующие один и тот же вид энергии, но два различных способа ее подвода (например, точение с наложением низкочастотной вибра­ ции для дробления стружки); второй класс - методы обработки, совмещающие два вида энергии, подводимой в зону обработки (например, резание с пропусканием электри­ ческого тока по цепи заготовка-инструмент или с предварительным индукционным на­ гревом срезаемого слоя); третий класс - ме­ тоды обработки, совмещающие три различных вида энергии или два различных вида энергии

И два способа ее подвода. Примером комби­ нированного метода обработки третьего клас­ са может бьпъ глубокое сверление отверстий в труднообрабатываемых материалах с наложе­ нием низкочастотной осевой вибрации и ак­ тивных смазочно-охлаждающих технологиче­ ских средств (СОТС).

Комбинированный метод третьего клас­ са применяется для обработки высокотвердьгх материалов с малой глубиной резания и пода­ чей на оборот до 1,5 мм, в котором использо­ ваны три вида воздействия: нагрев обрабаты­ ваемого материала в зоне резания пропуска­ нием через цепь инструмент-заготовка элек­ трического тока, охлаждение твердосплавной пластинки с помощью СОТС и воздушный способ охлаждения сходящей стружки. Для этого использованы режущие пластинки спе­ циальной конструкции и державки. Пластин­ ка имеет особую форму: основание и перед­ няя поверхность ее параллельны, а боковые поверхности выполнены клиновыми с расши­ рением книзу, что обеспечивает возможность закрепления пластинки в клиновом пазу с помощью крепежного клина и винтов. Режу­ щая кромка криволинейна, очерчена двумя радиусами, а на передней поверхности вдоль кромки имеется отрицательная фаска. Для точной установки пластинки в радиальном направлении служит сменный упор, контак­ тирующий с задним торцом пластинки. Под­ вод СОТС для охлаждения пластинки в про­ цессе работы проводится по каналам, распо­ ложенным под основанием пластинки в дер­ жавке. Державка электрически изолирована от суппорта с помощью трех изолирующих на­ кладок, привернутых к одной из сторон дер­ жавки. Охлаждение сходящей стружки осуще­ ствляется воздухом, подводимым через патру­ бок с соплом из трубопровода. Электрический ток включается после врезания на полную глубину; рекомендуемая сила тока 125 ...

140 А. Скорость резания при этом методе обработки 15 ... 80 м/мин.

Комбинированный метод обработки четвертого класса может быть пояснен на примере сверления, с использованием элек­ трического и механического воздействия, алмазными инструментами цилиндрических и фасонных отверстий в твердых сплавах, зака­ ленных сталях, магнитных сплавах и других токопроводящих труднообрабатываемых мате­ риалах (рис. 2.8.1). Инструмент закрепляется в шпинделе станка специальной головкой, которая, кроме передачи равномерного вра­ щения и подачи, обеспечивает также подачу электролита во внутреннюю полость инстру­ мента. На эту схему обработки алмазным ин­ струментом накладывают воздействие ультра­ звуковых колебаний. Помимо равномерного и вибрационного механических воздействий

источник постоянного тока

ist t

Ооебая ^ cuna-G

-^ Электролит Ws Ьи5рации инструыенто

Рис. 2.8.1. Схема комбинированного сверления с наложением вибрации

при этом методе обработки действуют два вида электрического воздействия: электрохи­ мическое и электроэрозионное.

Максимальную производительность об­ работки обеспечивает комбинированный ме­ тод обработки при преимущественном меха­ ническом воздействии; в этом случае абра­ зивный съем должен осуществляться при весьма высоких давлениях (300 ... 500 МПа). Если решающее значение при выполнении операции имеет обеспечение высокой стойко­ сти инструмента, то основное значение в процессе съема заданного припуска должно иметь электрохимическое воздействие. При определенных режимах обработки существен­ ное значение может иметь электроэрозионное воздействие, которое обусловлено интенсив­ ными электроэрозионными разрядами, про­ исходящими вследствие контактирования токопроводящей связки алмазоносного слоя инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки. Электроэрозионный процесс обра­ ботки рекомендуется при выполнении опера­ ций шлифования отверстий.

Способ подвода совмещаемых физикохимических воздействий - второй признак - делит комбинированные способы на методы с параллельным или последовательным подво­ дом энергии. К первому методу относится, например, механическая обработка с пропус­ канием через зону резания электрического тока, ко второму - резание с предварительным подогревом слоя материала, снимаемого с заготовки с помощью индуктора токов высо­ кой частоты, размещаемого на суппорте стан­ ка впереди резца.

При последовательном подводе энергии эффективность совмещения одних и тех же видов энергии зависит также от порядка их следования. Например, в промышленности используются два комбинированных метода протягивания, в которых совмещены обыч­ ный процесс резания и пластическое дефор­ мирование материала. Первый метод выпол­ няется протяжками, у которых режущие зубья

располагаются впереди выглаживающих; так, например, применяется протяжка, режущая часть которой изготавливается из быстроре­ жущей стали, а последующее поверхностное пластическое деформирование осуществляется выглаживающими кольцами из твердых спла­ вов. Обработка деформирующе-режущими протяжками обеспечивает обратную схему последовательной комбинированной обработ­ ки; они работают по схеме опережающего пластического деформирования обрабатывае­ мой поверхности. Одна секция такой протяж­ ки имеет твердосплавный деформирующий элемент. За ней следует и осуществляет про­ цесс резания режущий элемент из быстроре­ жущей стали. Протяжка в целом имеет не­ сколько таких секций и обеспечивает съем основного припуска. Окончательно поверх­ ность отверстия в обеих рассмотренных кон­ струкциях формируется дополнительными секциями переходных и калибрующих зубьев.

Наименование этого вида комбиниро­ ванного метода обработки определяется по­ следовательностью действия физико-хими­ ческих процессов; в соответствии с этим два рассмотренных выше комбинированных ме­ тода резания называются режуще-деформа­ ционная и деформационно-режущая механи­ ческая обработка.

Количественное соотношение совмещае­ мых процессов - третий признак - определяет степень взаимодействия различных видов физического и химического воздействия; они могуг приводить только к количественному изменению процесса резания или вызывать его качественное изменение. По третьему признаку комбинированные методы разделя­ ются на два типа.

1)Методы с преимущественным влия­ нием одного воздействия, например, механи­ ческого; дополнительное воздействие, напри­ мер, тепловое, снижая механические характе­ ристики материала срезаемого слоя, повышает эффективность механического воздействия, качественно не изменяя обьшного процесса механической обработки. Для комбинирован­ ных процессов этого типа различают базовые

идополнительные процессы; соответственно даются определения методу обработки; в ка­ честве базового слова принимается домини­ рующий процесс; например, для приведен­ ного примера - метод резания называется термомеханической обработкой. Напротив, если доминирующим элементом рабочего процесса будет термическое воздействие - то такой комбинированный метод резания будет называться механо-термической обработкой;

2)Методы, у которых нельзя разделить физико-химические воздействия на основные

идополнительные (см. способ ультразвуко­

вого алмазно-электрического сверления); в этом случае процесс обработки может быть описан специфическими закономерностями, не совпадающими с составляющими их обыч­ ными процессами резания.

При комбинированных методах обра­ ботки, прежде всего второго типа, воздействие двух физических или химических процессов нельзя принимать как простую арифметиче­ скую сумму, так как иногда совмещение двух физических воздействий может дать новые технические эффекты, обеспечивающие ко­ ренное повышение производительности обра­ ботки, стойкости инструмента и качества из­ готовления деталей. Для этого перечень со­ вмещаемых процессов, их количественные характеристики, а также последовательность действия должны подбираться таким образом, чтобы они взаимно активизировали друг дру­ га. Так, например, электроэрозионный про­ цесс (помимо обычного воздействия) должен создавать зону предразрушения для после­ дующего механического воздействия, и, на­ против, механическое воздействие, вследствие обусловленной им вибрации и образования мелких частиц стружки, заполняющих рабо­ чий зазор между электродами, повышает эф­ фективность электроэрозионного разрушения. Таким образом, критерием совместимости физико-химических процессов с вводимыми энергиями El, £2 является снимаемый в еди­ ницу времени суммарный объем обрабаты­ ваемого материала комбинированным процес­ сом резания; он должен быть больше арифме­ тической суммы снимаемых объемов каждым процессом отдельно (где / - число совмещае­ мых процессов).

Производительность операционного технологического процесса оценивается как объемом, так и площадью обработанной по­ верхности в единицу времени:

Таким образом, эффективность опреде­ ленного комбинированного способа обработ­ ки определяется закономерностями суммиро­ вания воздействий физических и химических явлений, определяющих фактически имею­ щий место процесс съема материала. В связи с этим многие сочетания рабочих процессов с точки зрения построения эффективного ком­ бинированного метода обработки могут бьггь и несовместимыми, т.е. взаимно затруднять протекание комбинированного процесса об­ работки. Например, известно, что такой эф­ фективный метод обработки для особо проч­ ных сталей, как плазменно-механическое резание, нельзя применять при большинстве

На чистовых операциях, выполняемых абра­ зивным инструментом, ОПД используют пре­ жде всего как средство повышения качества поверхности. Повышение стойкости и качест­ ва поверхности одновременно могут быть достигнуты при протягивании, когда впереди режущих зубьев инструмента устанавливают выглаживающие, которые производят ОПД по обрабатываемой поверхности. Процесс реза­ ния с ОПД наряду со значительным повыше­ нием производительности обработки и каче­ ства изделий может обеспечивать и эффек­ тивное стружкодробление при подаче на обо­ рот более 0,2 мм. В этом случае процесс ОПД надо осуществлять с помощью рифленого ролика.

Применение ОПД цилиндрическим ро­ ликом с зубьями для разделения стружки зна­ чительно повышает стойкость резцов (в 2,8- 4,5 раза) и обеспечивает надежное дробление стружки. Обработка производилась резцами из быстрорежущей стали Р18 при обработке заготовок из рафинированной стали 50РАСШ, а также сталей 12Х18Н9 и 16Х11Н2ВМФ. Соотношение между глубиной внедрения зубьев ролика и толщиной среза должно быть 0,7-0,8.

Токарный инструмент для комбиниро­ ванной обработки имеет деформирующий элемент, располагаемый за режущей пласти­ ной в направлении, обратном направлению подачи (рис. 2.8.3). Сменная пластинка 2 ус­ тановлена на штифте 9 и закреплена на дер­

жавке 1 и пластине 8 посредством винта 7 и клина. Упрочнение обрабатываемой поверх­ ности осуществляет ролик, расположенный в игольчатом подшипнике 4. Осевая состав­ ляющая силы обкатывания воспринимается шариком 5, на который опирается торец ро­ лика. Сила воздействия деформирующего ролика 3 регулируется гайкой 6. Точение та­ ким инструментом обеспечивает точность обработки по седьмому квалитету и параметр шероховатости поверхности Ra = 0,32 ...

0,63 мкм.

Комбинированный процесс резания с ОПД с использованием торового ролика отра­ ботан в МВТУ им. Н.Э. Баумана совместно с Могилевским политехническим институтом. Торовый ролик работает по принципу каче­ ния и скольжения, т.е. производит накатыва­ ние с одновременным выглаживанием. Про­ филь рабочей поверхности торового ролика образован дугой окружности, центр которой перемещается по направляющему цилиндру. Комбинированный инструмент для обработки валов состоит из прямоугольного резца 1 (рис. 2.8.4) и торового ролика 2. Торовый ролик, следуя за резцом, вращается с помощью обра­ батываемой детали 3 вместе с осью в под­ шипниках, установленных в корпусе 4, имеющем возможность осевого перемещения в державке 5. Сила прижатия торового ролика к обрабатываемой детали регулируется при сжатии пружины 6 посредством гайки 7. Дер­ жавка 5 вместе с торовым роликом устанавли-