Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

Рис. 2.8.4. Инструмент для точения - отделочноупрочняющей обработки ОПД торовым роликом

Механическая обработка с наложением на обычно принятую кинематическую схему выполнения типовых операций вибрации - (или кратко - вибрационное резание) находит все более широкое промышленное примене­ ние. Эта группа комбинированных методов использует два вида разнородного механиче­ ского воздействия - равномерное и вибраци­ онное.

Тровочных отверстий в косой торец гайки) позволили ликвидировать ручной труд, увели­ чить производительность обработки в 2,5 раза и стойкость инструмента в 3 раза. Станок конструкции МГТУ им. Н.Э. Баумана задает электродинамическим"^йЪратором колебания упругой системы вибратор - шпиндель - свер­ ло в направлении подачи сверла, т.е. вдоль оси вращения.

25 ... 35 мм в коррозионно-стойких и жаро­ прочных сталях проводили специальными сверлами двухстороннего резания с наружным подводом с о т е и внутренним отводом стружки сверлами, изготовленными из быст­ рорежущей стали Р18 (2ф = 130°, у = 5°). Не­ жесткость системы изменяет кинематику про­ цесса обработки. Так, например, при подаче на оборот -5*0 = 0,1 мм выход режущих кромок сверла из обрабатываемого материала проис­ ходит при размахе колебаний, задаваемых вибротоком, 2А — 0,2 мм, что в 4 раза больше, чем это следовало бы ожидать при абсолютно жесткой системе.

т.е. резание с колебаниями в направлении окружной составляющей скорости резания, применяют для существенного повышения производительности обработки и стойкости инструмента как при резании труднообраба­ тываемых материалов, так и для рационализа­ ции многих трудоемких операций. Метод обработки резанием с тангенциальной вибра­ цией показал положительные результаты в лабораторных условиях при точении, развер­ тывании, нарезании резьб, шлифовании и абразивной заточке инструмента, а также в производственных условиях, например, при использовании вибропил и виброножниц, а также для улучшения операций фрезерования.

Вибрационное резание может осуществ­ ляться тремя методами: 1) установкой в обра­ батывающую систему дополнительного узла вибратора; 2) использованием самого процес­ са резания в качестве генератора возникнове­ ния вибрации; 3) путем задания программы обработки осциллирующим движением; в этом случае для создания необходимых коле­ баний используется имеющийся привод стан­ ка с программным управлением.

Вибраторы создают оптимальные режи­ мы колебательного движения для данной опе­ рации; эти специальные устройства имеют независимую регулировку как по необходи­ мой мощности, так и по форме, амплитуде и частоте. Для осуществления резания с вибра­ цией как средства стружкодробления необхо­ димы низкочастотные вибраторы, поскольку

при принятых скоростях резания (до 200 м/мин) для получения стружки длиной 10 ... 20 мм (учитывая усадку стружки) доста­ точно иметь частоту вынужденных колебаний не более 50 Гц. Для этой цели можно приме­ нять механические (центробежные или экс­ центриковые), пневматические и гидравличе­ ские вибраторы.

И с п о л ь з о в а н и е а в т о к о л е б а ­ н и й , обусловленных процессом резания, для улучшения обрабатываемости или дробления стружки является новым средством рациона­ лизации операций механической обработки. В этом случае отпадает необходимость наличия специального энергетического источника ко­ лебаний, а применяется автоколебательный вибросуппорт.

2.8.4.МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РЕЗАНИЯ

Комбинированные методы обработки строятся на основе использования в качестве доминирующего процесса рассмотренные выше электрические виды воздействия - элек­ троэрозионные и электрохимические; они дополняются механическим процессом. Эти методы используются при параллельном со­ вместном воздействии на материал снимае­ мого слоя заготовки.

Электроконтактное резание - вид обра­ ботки, при котором на заготовку оказывается одновременно механическое, тепловое и элек­ трическое воздействие путем непосредствен­ ного контакта быстро перемещающегося ин­ струмента с заготовкой при подводе в зону контакта электрического тока большой плот­ ности.

Диски для электроконтактной резки из­ готовляют из стальных или алюминиевых листов с покрытием торцовых поверхностей изоляционно-абразивным слоем (эпоксидной смолой), что позволяет во время резки не только предотвращать появление разрядов по боковым поверхностям, но и очищать по­ верхность реза от оплавленного слоя на глу­ бину 0,2 ... 0,3 мм. Окружная скорость диска при электроконтактной обработке может до­ ходить до 60 м/с. Например, диск выполнен из стали 45, имеет окружную скорость до 50 м/с, почти не подвергается изнашиванию. Это преимущество электроконтактной обра­ ботки позволяет сэкономить большое число абразивов. Например, одним абразивным кругом до полного его изнашивания обраба­ тывают 2000 траков, а стальным диском на электроконтактном станке обрабатывают свыше 500 000 траков для тракторов.

Теплота в зоне контакта инструмента и заготовки выделяется вследствие электриче­ ских разрядов (Оэ), повышенного сопротив-

ления зоны контакта (QR) И трения между инструментом и заготовкой (бтр). Сопротив­ ление зоны контакта определяется по закону Джоуля-Ленца. Принимая / в А, а /? - в Ом, Г - в секундах, получаем

Ол = 0,241^ RT .

Теплота, обусловленная трением, исходя из затрачиваемой на этот процесс мощности

Обусловленное этими источниками теп­ ло, вьщеляясь в зоне контакта, размягчает и расплавляет материал срезаемого слоя; дви­ жение инструмента обеспечивает механиче­ ский вынос частиц металла из зоны обработ­ ки.

Электроконтактная обработка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами электрической обработки металлов. При ней не требуются жидкие среды, отсутствуют ис­ точники постоянного тока, необходимые при электроискровой и анодно-механической об­ работке, мало изнашивается режущий инст­ румент и применяется безопасное для работы напряжение на электродах.

Электроконтактное резание применяется для резки заготовок. Удаление металла из зазора между электродами происходит в ре­ зультате расплавления и частично испарения металла заготовки с последующим выбросом его воздущным потоком, создаваемым в зазо­ ре между электродом и вращающимся диском. В отдельных случаях для его охлаждения ис­ пользуют подачу жидкости. При зачистке слитков из коррозионно-стойкой стали для улучшения процесса удаления диспергиро­ ванного металла при больших скоростях съе­ ма используют сжатый воздух давлением не менее 0,35 МПа.

Зачистка заготовок сложного контура - другое распространенное применение ЭКО. Создан и успешно работает полуавтомат, предназначенный для электроконтактной зачистки литейных заусенцев по всему конту­ ру звена гусеницы трактора в условиях массо­ вого производства. Электроконтактная обра­ ботка слитков имеет широкие перспективы пpoмышLneннoгo применения. Обработка на специальных металлорежущих станках четы­ рехгранных слитков 1300x400x480 мм про­ должается от 8 до 12 ч. Производительность обработки, по данным ЭНИМСа, при исполь­ зовании электроконтактного метода, может быть повышена в 10 раз при снижении стои­ мости обработки в 2-3,5 раза.

Анодно-механическая обработка (АМО) является комбинированным методом, постро­

енным на совместном механическом, элек­ троэрозионном и электрохимическом воздей­ ствиях на материал срезаемого слоя. Под дей­ ствием постоянного тока в среде электролита происходит анодное растворение обрабаты­ ваемого материала, которое приводит к обра­ зованию на аноде защитной пленки, тормо­ зящей дальнейшее растворение. Механиче­ ское воздействие диска снимает эту пленку, обеспечивая непрерывность электрохимиче­ ского растворения и интенсифицируя его. В момент срыва пленки происходят электриче­ ские разрывы между выступающими неровно­ стями анода и катода, приводящие к электро­ эрозионному разрушению выступающих уча­ стков. Все три процесса - электрохимическое растворение, механическое и электроэрози­ онное разрушение - тесно связаны между собой, образуя единый комбинированный процесс анодно-механического резания.

Анодно-механическая обработка облада­ ет общим для всех комбинированных методов достоинством - позволяет в широких диапа­ зонах регулировать параметры шероховатости поверхности и точность обработки. Так, чис­ товые режимы анодно-механической обработ­ ки токопроводящим шлифовальным кругом и неметаллической лентой дают возможность получать наиболее низкие параметры шерохо­ ватости (Ra =0,01 мкм) и точность (до 5-6-го квалитета); наоборот, черновая анодномеханическая обработка позволяет получать очень большие съемы металла, например, по твердым сплавам до 5000 ... 8000 мм/мин.

Чистовую анодно-механическую обра­ ботку осуществляют при малых плотностях электрического тока, поэтому основное зна­ чение при ее выполнении имеют механизмы анодного растворения и механического сня­ тия пленки движущимся инструментом. Эти процессы происходят преимущественно по вершинам микронеровностей, которые под­ вергаются более интенсивному электрохими­ ческому воздействию, и только на них проис­ ходит непрерывное удаление пленки. Наобо­ рот, во впадинах микронеровностей формиру­ ется толстый защитный слой пленки. Все это ведет к уменьшению высотных параметров шероховатости, достижению высокой точно­ сти и получению зеркальной поверхности.

Обрабатываемость материалов при АМО определяется комплексом их электрохимиче­ ских и тепловых характеристик, куда входят электрохимический эквивалент, способность к пассивированию, теплопроводность, тепло­ емкость, температура плавления; вместе с тем она практически не зависит от механических характеристик обрабатываемого материала. Наиболее хорошо черновой анодно-механи­ ческой обработке поддаются материалы, обла-

дающие малой теплопроводностью и низкой температурой плавления. Особенно плохо обрабатываются этим методом твердые спла­ вы, вольфрам (из-за высокой температуры плавления), и медь (из-за высокой теплопро­ водности). Среднее положение занимают чер­ ные металлы. При чистовой обработке основ­ ное влияние на обрабатываемость оказывают электрохимические параметры.

Режимы AMО определяются электриче­ скими параметрами - плотностью тока, на­ пряжением - и механическими параметрами - давлением инструмента на обрабатываемую поверхность, скоростью относительного дви­ жения. Кроме того, к ним относятся вид, способ подачи электролита, его расход и дав­ ление.

б о т к а (ААО) является чистовым комбини­ рованным методом, при котором механиче­ ское действие осуществляется абразивным инструментом. Наиболее распространенным видом этой обработки является анодномеханическое шлифование (АМШ). Электро­ проводящий шлифовальный круг, состоящий из абразивных зерен, электропроводящего наполнителя и связки, соединяется посредст­ вом скользящего контакта с отрицательным полюсом источника постоянного тока, т.е. круг одновременно является катодом и режу­ щим инструментом. Заготовка служит анодом. В зазор между обрабатываемым металлом и кругом через форсунку подается электролит. Электропроводящие абразивы получают за­ полнением расплавленным металлом пор обычных шлифовальных кругов на керамиче­ ской связке, осаждением металлов и их солей в поры шлифовального круга или изготовле­ нием абразивных инструментов на электро­ проводящей связке. В последнем случае шли­ фовальные круги получают шаржированием алмазного порошка в медную или стальную основу. Электролиты представляют собой водные растворы калиевой или натриевой селитры с добавками нитрита натрия в каче­ стве ингибитора коррозии. Таким электроли­ том является, например, 5- и 10%-ный вод­ ный раствор.

Основной рабочий процесс при анодноабразивной обработке обусловлен следующим физико-химическим механизмом:

1)анодное растворение срезаемого слоя, приводящее к снятию части металла и обра­ зованию пленки;

2)нагрев материала срезаемого слоя вследствие пропускания постоянного тока и периодических коротких разрядов через зону обработки, имеющую значительное сопротив­ ление;

3)электроэрозионное разрушение, про­ являющееся в виде слабого искрения (даже при обработке на мягких режимах);

4)механическое срезание металла, пред­ варительно размягченного анодным воздейст­ вием, тепловым и электроэрозионным про­ цессом.

При применении анодно-абразивного шлифования (ААШ) по сравнению с обыч­ ным шлифованием снижается параметр шеро­ ховатости, получается зеркально-блестящая поверхность с Ra =0,04 ... 0,16 мкм при ма­ лом уровне структурных изменений и доста­ точных напряжений.

Достоинством ААШ по сравнению с обычным шлифованием является отсутствие значительного тепловьщеления, поэтому в поверхностном слое не возникают значитель­ ные структурные превращения и внутренние напряжения. Работоспособность шлифоваль­ ного круга поддерживается его самозатачива­ нием в процессе обработки, которое происхо­ дит вследствие выкрашивания выступающих или сильно изношенных абразивных зерен, а также нарушения связки и наполнителя при электрических разрядах. Эти процессы обу­ славливают получение малых высотных пара­ метров шероховатости поверхности, чему зна­ чительно способствует анодное растворение выступающих микронеровностей поверхности.

Давление круга на обрабатываемую по­ верхность является одним из важнейших па­ раметров ААШ, так как оно определяет сте­ пень внедрения режущих зерен и зазор. О давлении можно судить по силе тока. Резание с малым давлением круга на заготовку ведет к малому внедрению режущих зерен в обраба­ тываемую поверхность, повышенным зазорам, что вызывает уменьшение интенсивности электрохимического и электроэрозионного воздействий. По этим причинам съем металла мал, и велики высотные параметры шерохова­ тости поверхности. Повышение давления до 0,2 ... 0,3 МПа обеспечивает максимальные съем и шероховатость поверхности. Дальней­ шее его увеличение ведет к росту удельного веса в процессе съема механического резания, что вызывает ухудшение шероховатости по­ верхности и точности обработки. Учитывая это, для достижения наилучших параметров шероховатости поверхности и точности обра­ ботки анодно-механическое шлифование сле­ дует выполнять при небольшом давлении, больших скоростях резания и интенсивном относительном движении заготовки и инстру­ мента (двойных ходах).

А н о д н о - а л м а з н а я о б р а б о т к а является разновидностью анодно-абразивной обработки. Наиболее широко применяют анодно-алмазное шлифование (ААлШ). Его

осуществляют токопроводящими алмазными кругами в среде электролита. Этот метод со­ четает высокую скорость электрохимического растворения, обусловленную большими по­ верхностными плотностями тока (до 200 А/см^) и крайне малыми зазорами, с ал­ мазным шлифованием, обеспечивающим ин­ тенсивное удаление продуктов растворения. Низкое напряжение снижает интенсивность эрозионных разрушений. Это позволяет полу­ чать низкие параметры шероховатости по­ верхности при большой производительности обработки. Электропроводные круги получают путем заполнения расплавленным металлом пор обьиных шлифовальных кругов на кера­ мической связке, осаждением металлов и их солей в порах шлифовального круга или ис­ пользованием электропроводных связок. В последнем случае шлифовальные круги полу­ чают шаржированием алмазного порошка в медную или стальную основу. Шаржирование осуществляют путем нанесения на поверх­ ность металлического круга тонкого слоя смазки с алмазным порошком и последующей обкаткой роликом из закаленной стали.

ностью отделочной анодно-абразивной обра­ ботки электронейтральным инструментом. Оно осуществляется подобно обычному хонингованию и с подачей электролита и элек­ трического тока в зону обработки: Источни­ ками тока в этом случае служат низковольт­ ные генераторы постоянного тока, селеновые и другие типы выпрямителей. При обработке абразив последовательно удаляет оксидный слой, образующийся при электрохимическом растворении; вследствие механического воз­ действия этот процесс позволяет избежать формирования поляризованных слоев, иг­ рающих основную роль при обычной элек­ трохимической обработке. По этой причине метод электрохонингования не требует ис­ пользования электролитов, вызывающих сильную коррозию. Вследствие резкого сни­ жения удельного веса механического воздей­ ствия детали, обработанные этим методом, имеют поверхностный слой, свободный от внутренних напряжений. Электрохонингование является более производительным мето­ дом по сравнению с обычным хонингованием.

Э л е к т р о - х и м и к о - у л ь т р а з в у - к о в а я о б р а б о т к а осуществляется пу­ тем подвода к детали и инструменту (ультра­ звуковой головке) постоянного тока, а в каче­ стве абразивной суспензии вместо воды ис­ пользуется электролит, куда вводится абразив - карбид бора зернистостью 50 ... 150 мкм. Ультразвуковые колебания значительно ин­ тенсифицируют процессы анодного растворе­

ния металла. Применение комбинированного метода, сочетающего электрохимическую и ультразвуковую обработку, увеличивает про­ изводительность в 2-3 раза при одновремен­ ном снижении износа инструмента. Хорошие результаты этот метод, разработанный ЭНИМСом, дает и при обработке заготовок из вольфрама. Производительность комбини­ рованного метода не является арифметиче­ ской суммой производительности составляю­ щих процессов, а превосходит ее в 2,5-3 раза. Точность обработки этим методом ниже точ­ ности, полученной при ультразвуковой обра­ ботке; погрешность не превышает 0,1 мм.

2.8.5. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Электромеханическая обработка (ЭМО) основана на сочетании термического и сило­ вого воздействия на поверхность обрабаты­ ваемой детали, что приводит к изменению физико-механических и геометрических пока­ зателей поверхностного слоя деталей и, как следствие, к повышению износостойкости, предела выносливости и других эксплуатаци­ онных характеристик.

Сущность метода ЭМО заключается в том, что в процессе обработки через место контакта инструмента (ролик, пластина) и заготовки проходит ток большой силы и низ­ кого напряжения. Выступы микронеровнос­ тей поверхностного слоя подвергаются силь­ ному нагреву и под силовым воздействием инструмента деформируются и сглаживаются, а поверхностный слой упрочняется за счет быстрого отвода тепла в основную массу ма­ териала и скоростного охлаждения от темпе­ ратуры фазового превращения металла; при этом нагрев до температур фазовых превра­ щений является необходимым условием уп­ рочняющих режимов обработки.

Электромеханическая обработка харак­ теризуется следующими особенностями.

1. Тепловое и силовое воздействие на поверхностный слой осуществляется одно­ временно.

2. Тепловьщеление в зоне контакта ин­ струмента и заготовки является следствием действия двух основных источников теплоты: внешнего (теплоты, выделяющейся в процессе трения между инструментом и деталью во время обработки) и внутреннего (теплоты, вьщеляющейся при прохождении тока через место контакта). При этом особенностью вто­ рого источника тепловьщеления является то, что теплота от него создается одновременно и мгновенно во всем локальном объеме поверх­ ностного слоя, находящемся в контакте с инструментом в данный момент времени.

3.Термический цикл (нагрев, выдержка

иохлаждение) весьма кратковременный и измеряется долями секунды. Высокая ско­ рость охлаждения определяется интенсивным отводом теплоты внутрь детали.

Вместах локализации тепловыделения в поверхностном слое температура выходит за критическую точку и происходит сначала аустенитное превращение, а затем интенсив­ ная закалка, вызванная большой скоростью сугвода теплоты из зоны контакта.

Эффект упрочнения ЭМО достигается благодаря тому, что реализуются сверхбыст­ рые скорости нагрева и охлаждения, и дости­ гается высокая степень измельченности аустенитного зерна, которая обуславливает мел­ кокристаллические структуры закалки по­ верхностного слоя, обладающего высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Разработаны различные методы элек­ тромеханического упрочнения, при реализа­ ции которых варьируются следующие усло­ вия:

1. Способ подвода электрического тока к месту контакта инструмента и заготовки:

подвод от неподвижного контакта, за­ крепленного на станке (рис. 2.8.6);

подвод от неподвижного контакта через вращающиеся элементы оборудования (рис. 2.8.7);

подвод тока через катящийся ролик (рис. 2.8.8);

подвод тока через катящиеся сдвоенные ролики (рис. 2.8.9).

Каждый из способов подвода тока обла­ дает своими преимуществами и недостатками.

2. Род тока: постоянный и переменный. Упрочнение при применении постоян­ ного тока позволяет добиться лучшего качест­ ва поверхности. Это объясняется лучшим прогревом микронеровностей, уменьшением сопротивляемости их деформированию и снижением вибрации при упрочнении посто­ янным током. Однако наблюдается резкий перепад твердости упрочненного слоя и неупрочненной сердцевины, что может привести к отслаиванию поверхностного слоя, подверг­

шегося ЭМО.

Применение переменного тока обеспе­ чивает плавный переход твердости от поверх­ ности к сердцевине, большую глубину упроч­ нения и более высокую микротвердость уп­ рочненного слоя. Повышение твердости мож­ но объяснить пульсацией переменного тока и образованием сегментообразных светлых по­ лей, имеющих большую поверхность контакта с окружающей средой, что приводит к более интенсивной теплоотдаче и, как следствие, к более интенсивной закалке.

Рис. 2.8.6. Схема подвода тока через неподвижный контакт

Е

•^

Ч-1

Рис. 2.8.7. Схема подвода тока через вращающиеся элементы оборудования

Рис. 2.8.8. Схема подвода тока через ролик

-0

•ff

^т-

Рис. 2.8.9. Схема подвода тока через сдвоенные ролики

3. Способ подачи тока во времени:

сплошной при постоянной подаче тока, что позволяет получить равномерно упроч­ ненную поверхность;

импульсный при прерывистой подаче тока, что позволяет не допустить перегрева поверхностного слоя при значительной силе тока и, кроме того, формировать на упроч­ няемой поверхности специфическую структу­ ру, представляющую собой чередование уп­ рочненных и неупрочненных участков.

4. Вид инструмента:

пластина, работающая в условиях трения скольжения;

ролик, работающий в условиях трения качения, что снижает тепловьщеление внеш­ него источника теплоты при ЭМО; при этом повышается стойкость инструмента.