Лекция 13 Процессы и операции формообразования

Технологические процессы и операции изготовления деталей – это процессы изменения формы и свойств материала исходной заготовки с целью получения детали заданной формы, размеров, точности, шероховатости поверхностей и физико-химических свойств.

По отношению к объему исходной заготовки эти процессы делят на три принципиально различные группы.

К первой группе относятся процессы изготовления, при которых объем исходного материала сохраняется практически постоянным, то есть объем заготовки равен объему детали.

Ко второй группе относятся процессы изготовления, при которых с заготовки удаляется часть материала, то есть объем готовой детали меньше объема заготовки.

К третьей группе относятся процессы изготовления, в которых на заготовку наносится дополнительное количество материала и объем готовой детали становится больше объема исходной заготовки.

В первую группу включают процессы литья, пластического деформирования и термообработки.

Ко второй группе процессов формообразования относят процессы резания, электроэрозионной и электрохимической обработки, а также другие, обеспечивающие удаление части материала заготовки.

Третью группу составляют процессы наплавки, нанесения различного рода покрытий: плазменных, гальванических, лакокрасочных и т.п.

На машиностроительных заводах для выполнения отдельных групп и видов технологических процессов и операций формообразования могут быть организованы специализированные производства, цеха или участки (литейные, кузнечно-прессовые, термические, механические, гальванические и другие).

Литейное производство – это область машиностроения, занимающаяся изготовлением заготовок или деталей различной конфигурации путем заливки расплавленного металла в специальные формы.

При охлаждении металл затвердевает и сохраняет форму той полости, в которую он был залит. Полученное изделие называют отливкой.

Литьем получают различные по форме отливки массой от нескольких граммов до 300 тонн, длиной от нескольких сантиметров до 20 метров.

Многообразие литейных форм и способов их заполнения металлом определяет множество способов литья: литье в песчано-глинистые формы (до 80% всего объема выпуска отливок), в кокиль, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, литье под давлением, центробежное литье, непрерывное литье и другие.

Кузнечно-прессовое производство - это область машиностроения, занимающаяся изготовлением заготовок или деталей различной конфигурации путем обработки материалов пластическим деформированием (обработки давлением).

Обработка материалов давлением является одним из наиболее прогрессивных методов. Преимуществами метода являются: получение заготовки или готовой детали сложной формы с высокой степенью точности и стабильными геометрическими параметрами за один проход (ход) инструмента; простота выполнения операций и, следовательно, низкий разряд выполняемых работ; высокий коэффициент использования материала.

К методам обработки материалов пластическим деформированием в частности относятся:

прокатка, при которой металл деформируется вращающимися роликами (валками);

волочение, при котором заготовку протягивают через постоянно сужающееся отверстие в инструменте (волоке);

прессование, при котором металл выдавливается из замкнутой полости через отверстие, соответствующее сечению прессуемого профиля (сплошного или полого);

листовая штамповка, при которой разнообразные по форме и размерам детали изготавливают деформированием из листовой заготовки в штампах;

ковка, при которой заготовке придают требуемую форму и размеры путем пластического деформирования (удара) универсальным инструментом, не ограничивающим течение металла в плоскости, перпендикулярной действию силы;

объемная штамповка – изготовление поковок в штампах, имеющих полость, заполняемую металлом;

накатка – образование на заготовке резьбы, рифлений или профилей (например, зубчатых) непрерывным воздействием инструмента (накатного ролика).

Механическое производство – это область машиностроения, занимающаяся изготовлением деталей заданной формы, размеров, точности и качества поверхностного слоя резанием материалов.

Обработкой резанием (механической обработкой) называется получение новых поверхностей путем отделения слоев материала (припуска) заготовки с образованием стружки. Удаление припуска с заготовки резанием осуществляется в процессе внедрения режущего инструмента (клина) в обрабатываемый материал при их относительном перемещении.

Резание среди других процессов размерной обработки является наиболее эффективным по производительности, удельной энергоемкости и качеству обработки. На долю резания приходится около 90% общей трудоемкости размерной обработки.

Для осуществления процесса резания необходимо обеспечить относительные движения заготовки и режущего инструмента, которые называют движениями резания. К ним относят главное движение и движение подачи.

Главным движением называют движение, определяющее скорость отделения стружки. Главным движением резания обычно является вращение заготовки или инструмента.

Движением подачи называют движение, обеспечивающее непрерывность врезания режущей кромки инструмента в материал заготовки. Движение подачи в зависимости от вида обработки может быть: вращательным, поступательным, возвратно-поступательным; непрерывным и прерывистым; продольным, поперечным, вертикальным, круговым и др.

Процесс механической обработки характеризуется режимом резания, который определяется, в первую очередь, скоростью главного движения резания (скоростью резания), скоростью движения подачи (подачей) и глубиной резания.

Скорость резания - это путь режущей кромки (лезвия) инструмента относительно заготовки в единицу времени в направлении главного движения. Скорость резания при лезвийной обработке измеряют в метрах в минуту (м/мин), а при абразивной обработке в метрах в секунду (м/с).

Подача - это путь режущей кромки (лезвия) инструмента в единицу времени относительно заготовки в направлении движения подачи.

Различают следующие виды подачи:

- минутная подача - перемещение режущего инструмента в минуту, мм/мин;

- подача на оборот - перемещение режущего инструмента за один оборот заготовки или инструмента, мм/об;

- подача на зуб (для многозубых инструментов) - перемещение режущего инструмента за время поворота на угол, равный угловому шагу зубьев, мм/зуб;

- подача на двойной ход - перемещение режущего инструмента за один двойной ход, мм/дв.х.

Взаимосвязь различных видов подач можно представить в виде формулы

где - частота вращения заготовки или инструмента, мин^-1; - число зубьев режущего инструмента.

Глубина резания - величина срезаемого слоя материала заготовки за один проход, измеренная в направлении перпендикулярном обработанной поверхности.

В общем объеме механической обработки деталей резанием основную часть составляют различные виды лезвийной обработки: точение, сверление, фрезерование, строгание (долбление), протягивание (прошивание).

Точение – это лезвийная обработка резанием поверхностей вращения и торцовых поверхностей (например, валов). Обработку наружных поверхностей называют точением или обтачиванием, обработку внутренних поверхностей – растачиванием, обработку плоских (торцовых) поверхностей – подрезанием, а разделение заготовки на части - разрезанием.

Для формообразования поверхностей точением необходимы: главное вращательное движение резания заготовки и поступательное движение подачи инструмента (резца). Движение подачи может производиться параллельно оси вращения заготовки (продольная подача) или перпендикулярно оси вращения заготовки (поперечная подача).

Сверление – основной технологический способ образования сквозных и глухих отверстий в сплошном материале обрабатываемой заготовки осевым лезвийным инструментом (сверлом).

Главным движением резания является вращение инструмента, а движением подачи – его прямолинейное перемещение вдоль оси обрабатываемого отверстия.

Просверленные отверстия не имеют правильной формы: их поперечные сечения имеют форму овала, а продольные – конусность. Поэтому точные отверстия требуют дополнительной обработки.

Аналогично сверлению производят все виды обработки отверстий осевым инструментом: рассверливание, зенкерование, развертывание, зенкование, цекование, обработку ступенчатых отверстий, нарезание внутренней резьбы.

Рассверливанием увеличивают диаметр ранее просверленного отверстия.

Зенкерованием также увеличивают диаметр отверстия, но, по сравнению с рассверливанием, зенкерованием получают большую точность и производительность обработки. Зенкерование хорошо исправляет погрешности формы отверстия, а также используется для обработки отверстий, полученных в заготовке литьем или пластическим деформированием.

Развертывание выполняется обычно после зенкерования и является чистовой операцией, обеспечивающей высокую точность отверстия

Зенкование используется для обработки цилиндрических или конических углублений под головки болтов и винтов.

Цекованием обрабатывают торцовые опорные плоскости для головок болтов, винтов и гаек.

Обработку ступенчатых отверстий и сложных поверхностей выполняют комбинированным инструментом.

Нарезание внутренней резьбы производят метчиками. При этом скорость движения подачи должна быть равна шагу резьбы .

Фрезерование – лезвийная обработка многозубым инструментом (фрезой) плоских и фасонных поверхностей заготовок.

Главное вращательное движение резания совершает фреза, а движение подачи в направлении любой из координатных осей придается заготовке.

При фрезеровании образуется прерывистая стружка переменного сечения. Каждый зуб фрезы участвует в резании только на определенной части оборота фрезы, остальную часть проходит по воздуху, вхолостую, что обеспечивает дробление стружки и охлаждение зуба.

Строгание представляет собой процесс лезвийной обработки открытых плоских или фасонных линейных поверхностей резцами.

Главное возвратно-поступательное движение резания в горизонтальной плоскости при продольном строгании сообщается заготовке, а при поперечном строгании – инструменту. Периодическое движение подачи совершается в той же плоскости, перпендикулярно главному движению. Процесс резания прерывистый, то есть происходит чередование рабочих и холостых ходов.

Долбление является разновидностью строгания, когда главное движение в вертикальной плоскости совершает режущий инструмент.

Протягивание – процесс обработки наружных и внутренних поверхностей заготовок многозубыми режущими инструментами (протяжками).

Главное движение резания прямолинейное (в горизонтальной или вертикальной плоскости), по направлению совпадает с осью инструмента. Движение подачи в протяжках заложено в конструкции режущего инструмента в виде так называемого подъема на зуб, представляющего собой превышение по высоте или ширине размера режущей части зуба по отношению к предыдущему зубу.

Обработка, в том числе и сложных поверхностей, осуществляется за один рабочий ход инструмента.

Прошивание обеспечивается за счет проталкивания в отверстие заготовки режущего инструмента (прошивки) на прессе. Так как прошивка работает на сжатие, ее длина ограничена 15 диаметрами. Прошивание обычно применяют для получистовой правки цилиндрических отверстий.

Процессы резания при протягивании и прошивании прерывистые, то есть происходит чередование рабочих и холостых ходов.

Протягивание и прошивание используют после операций сверления, зенкерования, растачивания, а также для обработки отверстий, полученных на стадии заготовительных операций.

Абразивная обработка деталей выполняется множеством абразивных зерен и включает в себя шлифование и методы отделочной обработки.

Шлифованием называют резание абразивными (шлифовальными) кругами поверхностей заготовок, имеющих различную, в том числе и высокую, твердость. Шлифование в машиностроении распространено как метод высокопроизводительной предварительной и окончательной обработки заготовок и деталей.

Шлифовальный круг состоит из большого числа абразивных зерен, скрепленных между собой связкой. Между зернами и связкой имеются поры (пустоты). На режущих поверхностях круга многочисленные зерна расположены беспорядочно на некотором расстоянии друг от друга и выступают из связки на различную высоту. В процессе резания вершины абразивных зерен снимают тонкий слой материала (стружку) с поверхности заготовки.

По виду обрабатываемых поверхностей различают четыре основных схемы шлифования: обработка круглых наружных поверхностей, обработка круглых внутренних поверхностей, обработка плоских поверхностей, обработка сложных (фасонных) поверхностей.

Главное вращательное движение резания при всех видах шлифования получает шлифовальный круг.

При обработке круглых поверхностей шлифовальный круг совершает также движения поперечной и/или продольной подачи, а заготовке придается движение круговой подачи (вращение).

При обработке плоских поверхностей движения продольной и поперечной подачи совершает заготовка.

По точности обработки различают обдирочное, размерное и тонкое шлифование.

Методы отделочной обработки включают в себя полирование, доводку (притирку), хонингование, суперфиниш.

Полирование – заключительная операция механической обработки заготовки, выполняемая для уменьшения шероховатости поверхности и придания ей зеркального блеска (товарного вида).

Различают полирование кругами, полирование лентами, абразивно-жидкостную обработку, виброабразивную обработку, магнитно-абразивную обработку и другие виды полирования.

При полировании заготовок эластичными кругами или лентами обработку выполняют полировочными пастами или абразивными зернами, смешанными со смазкой.

При абразивно-жидкостном полировании на обрабатываемую поверхность подается под давлением струя антикоррозионной жидкости со взвешенными частицами абразивного порошка.

Доводка (притирка) – это отделочная операция, выполняемая с использованием абразивных паст или суспензий, нанесенных на поверхность инструмента (притира). Операция выполняется на малых скоростях при переменном направлении рабочего движения притира. Притиры изготавливают из серого чугуна, бронзы, красной меди, твердых пород дерева.

Хонингование – это процесс чистовой обработки отверстий для обеспечения высокой точности формы отверстия, незначительной шероховатости, малого деформированного поверхностного слоя детали и создания специфического микропрофиля обработанной поверхности в виде сетки. При этом хонингование не исправляет положения оси отверстия.

Обработка ведется с помощью абразивных или алмазных брусков, закрепленных в хонинговальной головке (хоне). Инструмент совершает возвратно-поступательное и вращательное движения, в результате чего на обрабатываемой поверхности образуется сетка мелких следов абразивных зерен, которая способствует удержанию смазки при образовании пар трения в механизмах машин. Абразивные бруски всегда контактируют с обрабатываемой поверхностью отверстия, так как могут раздвигаться в радиальном направлении механическими, гидравлическими или пневматическими устройствами.

Суперфиниширование представляет собой отделочный метод обработки наружных цилиндрических, плоских и фасонных поверхностей мелкозернистыми абразивными брусками, совершающими колебательное движение вдоль обрабатываемой поверхности с малой амплитудой и высокой частотой. Бруски с постоянным усилием поджимаются к поверхности заготовки и могут самоустанавливаться. Большинство зерен абразивного бруска не режет, а пластически деформирует металл – микронеровности сглаживаются и поверхность получает зеркальный блеск. Процесс суперфиниширования не оказывает влияния на точность обрабатываемой поверхности и применяется на заключительном этапе обработки.

Следует отметить, что отделочные методы обработки основаны исключительно на эффекте износа (истирания поверхностного слоя материала заготовки абразивными зернами), а не резания.

Наряду с механической обработкой резанием важное место в машиностроении занимают электрофизические и электрохимические методы обработки заготовок из очень прочных, крайне твердых, весьма вязких, хрупких и неметаллических материалов.

Эти методы обеспечивают изменения формы, размеров, шероховатости и других свойств обрабатываемых поверхностей заготовок, происходящих под влиянием электрического тока, его разрядов, электромагнитного поля, электронной или плазменной струи, акустических (ультразвуковых) волн и т.д.