Совершенствование технологического процесса изготовления фрез

Усовершенствование технологического процесса изготовления корпуса фрезы. Проектирование поворотной головки и планшайбы для круглошлифовальной операции. Методологии напыления покрытий для повышения эксплуатационных характеристик поверхностей деталей машин.

Рубрика Производство и технологии
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 16.10.2010
Размер файла 2,0 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Действительно, многими исследователями установлен не только факт возникновения диффузионных зон при напылении, но и в ряде случаев значительная их толщина, достигающая 10--20 мкм.

Попытки теоретического расчета величин адгезии, образовавшейся между покрытием и подложкой на основе того или иного механизма, показали, что вычисленные и измеренные значения отличаются на один-два порядка. Это несоответствие объясняют двумя причинами: структурными дефектами границы раздела и механическими напряжениями в системе покрытие -- основа. К структурным дефектам относятся неполнота физического контакта покрытия и основы и неполное развитие межатомных связей в зонах контакта.

На основе результатов теоретического анализа и экспериментальных данных предложен ряд методов управления остаточными напряжениями в напыленных покрытиях. В соответствии с результатами, полученными М.Д. Никитиным,к ним относятся согласование свойств материала покрытия и основы, в первую очередь КТР; регулирование термического воздействия струи плазмы и потока напыляемых частиц; снижение модуля упругости материала покрытия; использование переходных слоев между основой и покрытием, обеспечивающих плавный переход свойств от покрытия к основе; регулирование толщины покрытия; изменение формы напыляемой поверхности.

Структура многослойного напыленного покрытия сложна по сравнению с компактным материалом. Напыленный материал состоит из структурных элементов - зерно, частицы, слой, что обусловливает существование разных типов границ - между отдельными деформированными частицами, между слоями покрытия и между покрытием и подложкой. Границы, в свою очередь, отличаются сложной электронной и кристаллической структурой. Контактные процессы при ударе, деформации, затвердевании, охлаждении частиц, физико-химические процессы взаимодействия частиц с окружающей атмосферой при пролете к основе обусловливают структуру и свойства самого покрытия.

За период выдержки многослойного покрытия, поверхность ранее нанесенного слоя покрытия загрязняется, окисляется, и контактные процессы между ней и напыленными частицами затрудняются.

Образование покрытия последовательной укладкой множества деформировавшихся частиц неизбежно приводит к появлению микропустот, в первую очередь на стыках частиц. Покрытие формируется в атмосфере, поэтому микропустоты заполняются газом, что ухудшает свойства границ, особенно межслойных, имеющих наибольшую насыщенность адсорбированными газами. Вследствие большой шероховатости покрытия и чрезвычайно быстрого растекания и кристаллизации частиц, в зоне контактов с поверхностью ранее нанесенных частиц остаются дефекты, и полости которые образуются также из-за выделения газов, растворенных в расплавленных частицах.

Растворенный газ атмосферы при кристаллизации частиц стремится из них выделится. При этом важно не столько количество растворенных газов, сколько степень пересыщенности раствора.

Растворенные газы могут покидать металлическую решетку только в результате диффузии, уходить в атмосферу через открытую пористость или микропустоты.

Одним из существенных, хотя пока относительно малоизученных, вопросов процесса формирования плазменного покрытия является формообразование напыленного слоя. Установлено, что материал покрытия распределяется по площади пятна напыления неравномерно, образуя так называемую металлизационную фигуру. Распределение частиц происходит по закону Гаусса. Свойства напыленного материала в объеме металлизационной фигуры неоднородны. Величина пористости, например, также распределена по закону Гаусса. В связи с этим разработаны математические модели процесса формообразования при плазменном напылении с целью раскрытия связи геометрических параметров покрытия с параметрами режима напыления. Например, модель, предложенная В. В. Степановым, позволяет определить условия обеспечения равномерности толщины покрытия на поверхностях различной формы.

В целом на процесс формирования покрытия при напылении и в конечном счете на его качество непосредственно или косвенно влияет значительное число факторов. По оценкам различных исследователей, их количество варьируется от 20 (в работе Х. Кайзера ) до 60. В этих условиях важным является, с одной стороны, выбор показателей процесса формирования покрытия, а с другой,-- выделение из общей массы наиболее существенных, лимитирующих факторов.

Прочность сцепления покрытия с подложкой можно определить как свойство первого порядка (только при условии обеспечения его необходимого уровня имеет смысл определять остальные свойства). Поэтому вопрос разработки методики экспериментального определения прочности сцепления имеет важное значение для развития процесса плазменного напыления в целом. Однако следует признать, что, несмотря на длительные исследования в этом направлении и наличие большого количества разнообразных методик надежного решения получить пока не удалось. А.А. Алленом отмечено, что получаемые значения силы сцепления не отражают величины адгезии, а являются скорее технической характеристикой. Разрушение носит в основном смешанный когезионно-адгезионный или чисто когезионный характер. Всем применяемым методикам присущ разброс получаемых экспериментальных данных, причем в некоторых диапазонах толщин покрытий он значителен. В связи с вышеуказанным, показатель прочности сцепления в настоящее время не может быть использован для текущего контроля процесса формирования покрытия, особенно в тех случаях, когда необходимо использование неразрушающих методов.

Анализ теоретических моделей и экспериментальных исследований процесса плазменного напыления, выполненный В.С. Лоскутовым, показывает, что критериями напыленного покрытия могут служить пористость, коэффициент использования порошка и остаточное напряжение в покрытии после напыления.

За истекший период существования технологии плазменного напыления покрытий накоплен большой опыт ее практического применения. Его обобщение позволяет провести классификацию плазменных покрытий по их эксплуатационным свойствам, определить диапазон задач, которые возможно в настоящее время решать при использовании этой технологии.

По практическому назначению плазменные покрытия разделяются на основные группы и подгруппы. В частности, в работе А. Хасуя предложена следующая классификация:

Покрытия для защиты от износа: в парах трения, при газоабразивпом износе, при гидроабразивном износе, при усталостном разрушении поверхностных слоев, при кавитации, при коррозионно-механическом износе.

Покрытия для защиты от разрушения при высоких температурах: в окислительных и других агрессивных средах, при высокотемпературной эрозии, в расплавах металлов и шлаков, в условиях воздействия интенсивных тепловых потоков.

Покрытия для защиты от атмосферной коррозии и коррозии в жидких средах: в обычной и промышленной атмосфере, в морской атмосфере, в питьевой и технической воде, в морской воде, в химических, нефтехимических и пищевых жидких средах.

Покрытия со специальными электрофизическими и оптическими свойствами: электропроводные, электроизолирующие и экранирующие покрытия, покрытия с магнитными свойствами, отражающие покрытия, покрытия с высокой степенью черноты.

Покрытия для создания саморегулирующихся зазоров (срабатываемые и режущие).

Покрытия для восстановления размеров изношенных деталей.

Помимо классификации по видам разрушения зачастую эксплуатационные условия подразделяют на несколько зон по уровню рабочих температур. Первая зона обычно ограничивается температурой 540°С, которая является предельной для эксплуатации покрытий из вольфрамкобальтовых твердых сплавов. В качестве второй зоны целесообразно выделить диапазон 540--650 °С, в котором покрытия типа ВК2 уже непригодны, а покрытия на основе карбида хрома еще малоработоспособны из-за непрочности оксидной пленки. Следующая зона определяется эффективным применением карбидохромовых покрытий и находится в пределах 650--980 °С. Выше 980 °С находится четвертая температурная зона.

Иногда покрытие должно одновременно удовлетворять комплексу требований, например, защищать изделие от износа и коррозии или износа и воздействия высоких температур. В этом случае чаще всего приходится выбирать компромиссное решение

Классификация упрочняющих покрытий, предложенная в работе Л.М. Кожуро, включает следующие группы

I - Fe, Ni, Cr, Al, Ti и сплавы на их основе;

П - самофлюсующиеся сплавы систем Ni-Cr-B-Si-C и Fe-Cr-B-Si-C;

III - Сu, Pb, Cd, St. бронзы, баббиты;

IV - Al, Zn; V - оксиды А2Оз, ZrO2, TiO2, Сг2О2, SiО2, CaO, Yo, MgO, Fе2Оз;

VI - карбиды вольфрама в смеси с Со, самофлюсующимися сплавами, интерметаллидами Al, Ti, Ni;

VII - карбиды хрома и титана в смеси с самофлюсующимися сплавами, интерметаллидами Al, Ni, Ti и никельхромистыми сплавами;

VIII - тугоплавкие металлы W, Mo, Nb, Та в чистом виде и в смеси с самофлюсующимися сплавами;

IX - керметы на основе смесей BN-Al-NiCr, Mg-ZrO2-NiCr, MgO-ZrO2 с Al и Ni, графита с Al, А2Оз, Ni, алюминидом никеля, ZrO2 с алюминидом никеля.

Материалы III и IV групп легко обрабатываются. В связи с малой толщиной, оксиды и керметы V и IX групп покрытий не обрабатываются лезвийным инструментом. Покрытия VI, VII и VIII групп наносятся в смеси с самофлюсующимися сплавами II группы. Таким образом, наиболее актуальны вопросы обработки лезвийным резанием покрытия I и II группы

Некоторые виды покрытий и область применения указаны в таб. 5.1.

Таблица 5.1 Виды напыленных порошковых покрытий

Тип порошка

Состав, % по массе

Твердость покрытия

Назначение

Малоуглеродистая сталь -- молибден - алюминий

5 Мо; 5 Аl

HRB 85

Восстановление изношенных деталей из рядовых сталей Твердые подшипниковые покрытия

Нихром -- молибден -- алюминий

5 Мо; 5 Al

HRB 80-130

Защита от износа при температурах до 760-- 870 °С абразивными частицами и твердыми поверхностями, при эрозии, фреттинг-коррозии и кавитации Восстановление изношенных деталей из рядовых и легированных сталей

Оксид алюминия -- диоксид титана

13--42 ТO2

HRC 60-70

Защита от износа при невысоких температурах абразивными частицами, твердыми поверхностями, волокнами и нитями, при фреттинг-коррозии, кавитации, эрозии Твердые подшипниковые покрытия

Двойной карбид вольфрама-титана с никелем

17Ni

HRC65-73

Защита от износа при повышенных температурах абразивными частицами и твердыми поверхностями

Теория и практика механической обработки напыленных покрытий

Длительное время при разработке технологических процессов изготовления деталей с покрытиями основное внимание уделяли операциям нанесения покрытий, а обеспечению необходимой точности размеров и формы поверхностей деталей с покрытиями, в т. ч. их размерной обработке, уделялось недостаточное внимание. В работе С.И. Поединка справедливо отмечено, что методы, приемы и режимы размерной обработки деталей с покрытиями часто выбираются такими же, как при обработке аналогичных деталей без покрытия, и не учитываются их специфические особенности. К ним относятся, прежде всего, структурная неоднородность, нестабильность физико-механических свойств, пористая структура, высокая твердость многих покрытий, в ряде случаев сравнимая или даже превышающая твердость некоторых инструментальных материалов, а также относительно низкая прочность сцепления покрытия с основным металлом, значительно ограничивающая повышение режима резания.

При обработке покрытий резанием имеют место значительные колебания сил резания и контактных нагрузок на поверхности инструмента [65]. Следовательно, напыленные покрытия являются труднообрабатываемыми, и поэтому довольно сложно обеспечить высокое качество обработанной поверхности. При точении деталей с покрытиями значительно труднее получить однородную микрогеометрию поверхности, чем при обработке литых и прокатных металлов.

Кроме того, при обработке покрытий возникает сложное напряженно-деформированное состояние, связанное с особенностями структуры покрытий, наличием переходной зоны между покрытием и основным металлом детали, а также возникновением термических напряжений вследствие различных коэффициентов термического расширения покрытия и основного металла детали. При этом имеет место более сложная картина распространения тепловых потоков, связанная с различными теплофизическими свойствами материалов покрытия и основы детали. Во многих случаях необходимо также учитывать физико-химические процессы, имеющие место в зоне контакта инструмента и обрабатываемого покрытия.

Полный процесс обработки деталей с покрытиями включает следующие основные этапы:

обработку заготовки из основного материала, в т. ч. подготовку установочных баз для окончательной обработки детали после нанесения покрытия;

специальную обработку поверхностей деталей под нанесение покрытий, обеспечивающую высокую прочность сцепления покрытия с основным металлом детали;

нанесение покрытий;

дополнительную обработку деталей после нанесения покрытий (термическую, оплавление или пропитку покрытий и др.);

окончательную размерную обработку, в основном поверхностей с покрытиями.

Технологический процесс изготовления детали с покрытием, с точки зрения обеспечения требуемой точности, значительно отличается от процесса обработки деталей из однородных материалов. При обработке однородных заготовок последовательность технологических операций строится по принципу постоянного снижения шероховатости и повышения точности поверхностей, начиная от заготовки, поверхности которой имеют максимальную шероховатость и минимальной точность. Операция нанесения покрытия, для которой характерны низкие точность и шероховатость, располагается в ходе технологического процесса между операциями механической обработки, обеспечивающими относительно лучшие показатели по точности и шероховатости. Для оценки изменения точности заготовки на операциях нанесения покрытий а также на предшествующих и последующих операциях механической обработки Ю.А. Харламовым предложен термин "уточнение".

На этапе предварительной обработки заготовки уточнение

(5.1)

где з1, з2 -- допуски на размеры исходной заготовки и после предварительной обработки;

на этапе нанесения покрытия

(5.2)

где бп -- допуск на толщину наслаиваемого покрытия; К -- коэффициент, учитывающий расположение покрытия относительно детали (при одностороннем расположении покрытия относительно контролируемого размера поверхности К=1, при двухстороннем К=2)

На этапе обработки покрытия

(5.3)

где д -- допуск на размер поверхности с покрытием.

Таким образом, общее уточнение.

(5.4)

При предварительной обработке осуществляется предварительное уточнение заготовки, при нанесении покрытия достигнутая точность снижается, а при обработке покрытия обеспечивается уточнение до получения отклонений размеров, заданных чертежом детали. Поскольку в качестве покрытия обычно применяют более дорогие материалы, чем основной, достаточно определить предельные размеры заготовок до и после нанесения покрытий, например, по методикам Ю. А. Харламова

В случае отсутствия каких-либо специальных требований свободную поверхность покрытия можно не подвергать размерной обработке при соблюдении условия з2ПД. При з1ПД не нужно осуществлять ни предварительной обработки заготовки, не размерной обработки нанесенного покрытия.

Технологическая наследственность оказывает большое влияние на формирование качества деталей с покрытием, особенно на образование адгезионных связей, в ряде случаев являющихся определяющими в обеспечении требуемых работоспособности и долговечности. Наличие адсорбированных слоев, окислов и загрязнений на поверхностях заготовок ухудшает или вообще исключает возможность непосредственного контакта материалов покрытия и основы. Микротрещины на поверхности заготовки могут служить сильными концентраторами напряжений в процессе нанесения и эксплуатации покрытий и привести к катастрофическому разрушению детали. Все эти факторы являются определяющими при выборе способа подготовки поверхности под покрытие.

При нанесении многих видов покрытий необходимо учитывать продолжительность выполнения отдельных операций технологических процессов или перерывов между ними, т. к. они влияют на состояние и температуру поверхности, структуру материалов и, следовательно, на качество покрытия. Вид обработки может существенно изменить структуру и свойства первоначально нанесенных покрытий. Обрабатываемость покрытий зависит от их материала, структуры, технологических особенностей нанесения, основного материала детали, ее геометрии и других факторов.

Подготовка поверхностей деталей к нанесению покрытий может заключаться в выполнении таких операций, как обезжиривание, очистка и мойка, механическая обработка со снятием или без снятия стружки, струйно-абразивная и другие виды обработки свободными абразивами, электроискровая обработка, химическое травление, очистка тлеющим разрядом, изоляция поверхностей, не подлежащих покрытию, и пр. Показатели качества деталей с покрытиями формируются на всех этапах их изготовления. Носителями наследственной информации являются основной материал детали, материал покрытия, поверхностные слои, прилегающие к поверхности раздела материал -- покрытие, а также геометрические параметры детали.

До настоящего времени распространенным видом обработки деталей с покрытиями являлось шлифование. Однако интенсивное термомеханическое воздействие, оказываемое на поверхностный слой при данном виде обработки, приводит к образованию трещин и прижогов. В случае отсутствия явных дефектов шлифованная поверхность имеет остаточные напряжения растяжения, что снижает эксплуатационные характеристики (усталостную прочность) детали. В. В. Шпановым показано, что для снижения вредного влияния высокой температуры при шлифовании приходится постоянно осуществлять правку круга, что увеличивает расход абразивного инструмента. Часто напыленный слой имеет толщину, на порядок превышающую необходимую. Уменьшение толщины покрытия из-за нестабильности процессов его нанесения вызывает появление участков с низким качеством покрытия. Поэтому иногда приходится удалять 90--95 % нанесенного материала. Из-за этого абразивная обработка становится значительно дороже, а в некоторых случаях себестоимость восстановленной детали может даже превысить себестоимость новой.

Более прогрессивным методом обработки напыленных покрытий является обработка инструментом с геометрически определенным лезвием. Вопросы перехода к лезвийной обработке покрытий исследованы С.А. Клименко, и Г.А. Иващено. В частности показано, что для поверхностей обработанных точением вполне достижимы требования по точности и шероховатости, характерные для шлифованных поверхностей.. Точение по сравнению со шлифованием позволяет повысить износостойкость обработанных деталей, поскольку в обработанной поверхности создаются остаточные напряжения сжатия благоприятные для эксплуатации детали. Ю. Н. Алексеев показал, что износостойкость образцов, обработанных лезвийным инструментом, в 1,5 раза выше, чем обработанных шлифованием. Еще одним преимуществом токаной обработки является улучшение экологичности технологического процесса, поскольку переход от шлифования к точению позволяет проводить обработку без использования СОЖ.

При точении общая термомеханическая нагрузка на поверхность гораздо ниже, чем при шлифовании. Однако если при шлифовании воздействие инструмента на поверхность распределено по достаточно большому участку поверхности (условно можно предположить, что контакт происходит по линии длиной равной ширине шлифовального круга), то при точении вся нагрузка локализована на гораздо меньшей площади (условно можно предположить контакт по точке - вершине резца). Следовательно, локальные нагрузки при точении гораздо выше, чем при шлифовании.

При обработке напыленных покрытий указанная закономерность выступает в качестве одного из основных сдерживающих факторов, т.к. при пониженной прочности по границе покрытие-основа в случае перехода от шлифования к точению возможно отслоение покрытия.

В силу изложенного технологии точения напыленных покрытий не находят широкого применения.

Более широкое внедрение точения напыленных покрытий неразрывно связано с разработкой методов, позволяющих рассчитать уровень напряжений, возникающих в системе покрытие, основа, режущий инструмент и подобрать режим обработки и геометрию инструмента, а также параметры напыленного покрытия, обеспечивающие его надежную обработку без отслоения.

В настоящее время расчетных схем, направленных на решение указанной задачи не разработано.

Следующей задачей, решаемой при переходе от шлифования к точению, является выбор инструментального материала, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели обработки.

Инструмент для токарной обработки покрытий

В качестве инструментального материала для напыленных покрытий с твердостью до 40 HRC рекомендуется применять твердый сплав (ВК2, ВК3, ВК3М, ВК, ВК6M ВК8, Т5К10, Т15К6, ТТ7К12, ТН20, КНТ16, КНТ20) обеспечивающий требования к шероховатости поверхности, при вполне достаточной стойкости инструмента и производительности обработки. При этом скорость резания составляет 30--45 м/мин, подача -- 0,15--0,3 мм/об, глубина резания -- 0,5--0,75 мм стойкость- 30-55 мин [66]. При обработке напылений твердостью 40-45 HRC приходится уменьшать скорость резания до 10--15 м/мин, а стойкость резцов при этом также снижается до 15--20 мин. Низкая размерная стойкость твердосплавного инструмента исключает возможность окончательной обработки точением напыленных деталей, т. к. не обеспечивается требуемая точность.

При твердости покрытия свыше 45 HRC обработка инструментами из твердых сплавов практически невозможна. Улучшить технико-экономические показатели обработки наплавленных и напыленных покрытий твердостью свыше 45 HRC можно за счет применения инструмента, оснащенного поликристаллическими сверхтвердыми материалами (ПСТМ) на основе кубического нитрида бора (КНБ). Вопросы использования СТМ исследованы достаточно широко [24,26,37,47,59,93]. Рекомендуется применять следующие марки инструментальных материалов: гексанит-Р и эльбор-Р. За рубежом наиболее часто применяются сплошные и двухслойные пластины из амборита, как показано в работах В. Ксабы и Ч. Байка. Резцами из этих материалов можно снимать поверхностный слой покрытий со значительными макроотклонениями профиля, что наряду с неоднородностью структуры и свойств покрытий приводит к большим динамическим нагрузкам на режущее лезвие. Особенно эффективно применение инструмента с механическим креплением режущего элемента в державке.

Композит 01 (эльбор-Р) и композит 02 (белбор) -- поликристаллы из кубического нитрида бора (КНБ) с минимальным количеством примесей, рекомендуются для тонкого и чистового точения (преимущественно без удара) и торцового фрезерования. Композит 10 (гексанит-Р) и двухслойные пластины из композита 10Д -- поликристаллы на основе вюртцитоподобного нитрида бора (ВНБ), рекомендуются для предварительного и окончательного точения с ударом и без удара и торцового фрезерования.

В табл. 5.2 приведены результаты сравнительных испытаний твердосплавного инструмента и инструмента на основе кубического нитрида бора.

Результаты сравнительных испытаний резцов при точении плазменных покрытий из порошка ПГ-СРЗ

Таблица 5.2

Параметр обработки

Величина параметра при обработке резцом с пластинами из сплава

ВК8

киборит

Скорость резания, м/мин

21,6 -- 26,8

(21,6 -- 26,8)*

180 -- 280

(290--550)

Подача, мм/об

0.080

(0,028)

0,040--0,080

(0,028)

Глубина резания, мм

0,9

(0,2)

0,9

(0,2)

Производительность,

мм3/мин

1590--2120

(120--460)

6600--20000

(1600--3000)

Ra, мкм

1,4--1,7

1,0--1,3

* Без скобок указана величина параметра при черновой обработке, в скобках - при чистовой

Сравнительные испытания деталей с плазменным покрытием из порошка ПГ-СРЗ (47--50 HRC)., проведенные Ю. А. Харламовым [106] показали, что при точении резцами с пластинами из киборита производительность черновой (по корке) и чистовой обработки будет соответственно в 10 и 6 раз выше, а параметры шероховатости обработанной поверхности и среднем на 20% ниже, чем при использовании резцов с пластинами из сплава марки ВК8. При выборе геометрических параметров инструмента также существуют закономерности. Учитывая что покрытия являются труднообрабатываем материалом, для повышения прочности режущего клина, рекомендуется принимать отрицательный передний угол Необходим достаточно большой радиус при вершине резца (0,3-1,0 мм) или переходная режущая кромка с ц0 = 0° (0,05-0,3 мм). Главный угол в плане резца должен составлять 30-35° или больше, так как его малые значения предопределяют появление значительной радиальной составляющей силы резания. Главный угол в плане рекомендуется принимать =30…35, при уменьшении этого угла увеличивается радиальная сила, что способствует увеличению вибраций, что отрицательно сказывается на качестве обработанной поверхности. Задний угол рекомендуется выбирать в пределах 5…10, в случае его увеличения, как показали исследования С.А. Клименко стойкость снижается. Покрытия могут обрабатываться инструментом, оснащенным круглыми неперетачиваемыми и многогранными пластинами ПСТМ. Геометрические параметры резцов с неперетачиваемыми пластинами киборита, систематизированные Г.В. Боровским приведены в табл. 1.3

При удалении наиболее дефектного поверхностного слоя покрытия (корки) с глубиной резания до 2,5 мм следует затачивать резцы с передним углом -- (15…20)°. Большей твердости обрабатываемого материала соответствует меньшее значение переднего угла.

При использовании резцов с механическим креплением режущего элемента державку оснащают шлифованной подкладкой из твердого сплава под режущий элемент. Это позволяет избежать деформации державки под действием сил резания при высокой температуре в зоне обработки. Зажимающий участок прихвата также армируют твердым сплавом, что снижает его износ сходящей стружкой и значительно повышает надежность работы.

Геометрические параметры резцов с неперетачиваемыми пластинами из киборита.

Таблица 5.3

Тип резца

Форма пластины

, град

1, град

,град

,град

r, мм

Проходной

Квадратная

45…60

30…45

7…11

-(7…11)

0,3…0,5

Круглая

--

--

7--11

-(7…11)

3,5

Подрезной

Ромбическая

90

10

7--11

-(7…11)

0,3…0,5

Расточной

Квадратная

45…60

30 …45

5…7

-(5…7)

0,3…0,5

Круглая

--

--

5…7

-(5…7)

3,5

Паяные резцы применяют при глубине резания до 1,0 мм, что связано с прочностью паяного соединения.

Для удаления припуска более 2,5…3,0 мм используют резцы с несколькими режущими элементами, каждый из которых удаляет припуск в пределах 1,0…1,5 мм.

Режущие элементы круглой формы из киборита можно поворачивать вокруг оси, что увеличивает период их стойкости в 5-- 6 раз переворачивать с целью использования ее опорной поверхности' в качестве передней поверхности инструмента при полном ее износе с одной стороны, последовательно обтачивать по диаметру до меньших размеров, что в 20…30 раз увеличивает общий период стойкости инструмента до полного износа пластины при условии отсутствия хрупкого разрушения. Начальный диаметр пластины может составлять 7…8 мм.

Наибольшее влияние на стойкость инструмента оказывают скорость резания и подача, от которых зависит температура на контактных поверхностях инструмента При использовании резцов из гексанита-Р влияние режимов обработки, а особенно скорости резания, на стойкость проявляется сильнее, чем в случае применения резцов из эльбора-Р. Стойкость инструмента из композита 10 при черновом точении в 2-4 раза ниже, чем при чистовом. Влияние подачи на стойкость инструмента неоднозначно. В процессе резания покрытия ПГ-СР3 при скорости резания 0,5…0,7 м/с увеличение подачи от 0,04 до 0,30 мм/об вызывает возрастание стойкости инструмента а при скорости резания. более 12м/с - ее снижение. Это объясняется совместным влиянием скорости резания и подачи на теплообразование в зоне резания.

Износ инструментов из ПСТМ на основе КНБ существенно зависит от химического состава обрабатываемого покрытия. Наличие в нем титана и значительного количества хрома резко интенсифицирует износ инструмента вследствие химического взаимодействия на контактных площадках. Первоначально наибольший износ наблюдается в месте схода свободного края стружки, а затем распространяется на всю главную и частично на вспомогательную режущие кромки. Период приработочного износа составляет 5--10 мин. В широком диапазоне условий обработки износ инструмента носит комплексный характер, включая абразивный, адгезионный, диффузионный и химический (окислительный и эвтектический) виды износа.

С увеличением твердости покрытия до HRC3 58 стойкость инструмента из ПСТМ снижается, а эффективность его применения по сравнению с эффективностью использования твердосплавного инструмента возрастает.

За критерий затупления инструмента из гексанита-Р, эльбора-Р и других ПСТМ по результатам исследований Г.В. Боровского рекомендуется принимать величину фаски износа по задней поверхности h3, равную 0,4…0,6 мм, а в некоторых случаях -- 0,6…0,7 мм. При обработке покрытий на основе твердых сплавов группы ВК для резцов из гексанита-Р таким критерием является h3 = 0,20…0,25 мм. Для круглых пластин из амборита рекомендуется h3=0,4…0,5 мм, а для пластин другой формы -- 0,25…0,35 мм. Для поликристаллов из киборита при точении газотермических покрытий принимают h3=0,4 мм; для газопламенных покрытий Нп-65г -- h3= 0,6 мм.

При обработке покрытий необходимо также уделять внимание силам, возникающим при резании, так как их высокие значения могут привести к дефектам при обработке. Значительная радиальная сила резания обусловливает возможность сколов при входе и выходе инструмента из детали, а также появление вибраций при недостаточной жесткости системы СПИД, что особенно характерно для изношенного инструмента.

В общем случае силы резания зависят от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режимов резания (v, s, t), геометрических параметров режущей части инструментов (, , и др.) и величины износа по задней поверхности h.

На рисунках 5.1 и 5.2 приведены зависимости технологических составляющих сил резания Ру,РZ, Рх от условий точения напыленного покрытия ПГ-10Н.

При точении покрытий резцами из ПСТМ износ инструмента в наибольшей степени происходит по задней поверхности. Чем больше величина износа (увеличение площади контакта рабочих поверхностей резца с обработанной поверхностью), тем больше трение задней поверхности инструмента о заготовку и тем больше составляющие силы резания, особенно радиальная Py. Кроме того, при внедрении в обрабатываемую поверхность резцу необходимо преодолеть со стороны задней поверхности силы упруго-пластического противодействия, которые для твердых покрытий будут значительными, что также повлечет увеличение составляющей Рy.

Характерным для обработки покрытий инструментами из КНБ является большее значение составляющей Рy по сравнению с составляющими Рz, Рx. что свидетельствует о более высоком уровне сил на задней поверхности резца.

На уменьшение составляющих силы резания при увеличении скорости резания до значений v>1,9 м/с (рис. 5.1) влияют разупрочнение поверхностного слоя покрытия, а также особенности механизма износа инструмента при высоких температурах в зоне резания. Повышение скорости резания вызывает и увеличение скорости деформации материала покрытия в зоне резания в результате чего уменьшается объем зоны распространения деформации и снижается величина составляющих силы резания, причем интенсивность уменьшения составляющих Рx, Рy, и Рz близка между собой.

Увеличение подачи инструмента в соответствии с общими закономерностями процесса резания, увеличивает площадь сечения срезаемого слоя, вызывает и увеличение сопротивления материала покрытия стружкообразованию. Составляющие силы резания при этом будут возрастать (рис 5.1).

Рис. 5.1 Влияние условий точения покрытий ПГ-ЮН-01 инструментом из киборита на силы резания [44]: скорости резания (штриховая) при S= 0,2 мм/об, t=0.25 мм, =101,5о и подачи (сплошная) при v=2,4 м/с, h =0,25мм, =101,5 о

Рис. 5.2 Влияние условий точения покрытий ПГ-ЮН-01 инструментом из киборита на силы резания на износ инструмента по задней поверхности [44] при v=2,4 м/с, 3=0,2 мм/об. =101,5 о

Для случая точения покрытия ПГ-10Н-01 получены адекватные зависимости [44]

, (5.5)

, (5.6)

, (5.7)

где s - подача, мм/об; h - ширина износа инструмента по задней поверхности, мм; ? - угол резания, градус; V - скорость резания м/мин.

Аналогичные результаты получены в работе А.Е. Шило.

Учитывая область применения деталей с покрытиями и их специфические свойства, особенно важной является оценка возможности режущего инструмента по формированию состояния поверхностного слоя и, в частности, шероховатости обработанной поверхности.

Результаты экспериментального исследования шероховатости поверхности покрытия ПГ-10Н-01 позволили получить уравнение регрессии, описывающее зависимость высотных параметров шероховатости от условий резания:

, (5.8)

где s - подача, мм/об; мм; d - угол резания, градус; V - скорость резания м/мин.

Анализ уравнения показывает, что в рассматриваемых условиях наибольшее влияние на шероховатость поверхности оказывает скорость резания, с увеличением которой высота неровностей снижается. Увеличение других рассматриваемых параметров приводит к росту высоты неровностей на обработанной поверхности.

Незначительное возрастание величины Ra с ростом подачи объясняется большой величиной радиуса при вершине инструмента.

Вероятно, влияние износа инструмента определяется ростом контактной температуры на задней поверхности, силы Ру и связанной с этим интенсивностью колебательных процессов. То, что увеличение износа не приводит к резкому увеличению шероховатости, объясняется возникновением выглаживающего эффекта. Влияние угла резания на шероховатость поверхности проявляется за счет изменения переднего угла инструмента. Чем больше угол заострения тем больше объем деформируемого обрабатываемого материала, воздействие которого на шероховатость поверхности выражается в возрастании высоты неровностей, которое к тому же из-за неоднородности структуры покрытия имеет значительную неравномерность.

Как показывают исследования С.А. Клименко [44], достичь низкой шероховатости достаточно трудно и в большинстве случаев она находилась в пределах Ra = 0,5-0,8 мкм.

Пути повышения эффективности обработки напыленных покрытий

Учитывая специфические свойства напыленных защитных покрытий, определяющие тяжелые условия резания при их механической обработке, повышение работоспособности режущего инструмента и качества обработанной поверхности являются актуальными задачами с точки зрения практического использования, так и с научных позиций. Основными направлениями повышения эффективности обработки напыленных покрытий являются.

1. повышение виброустойчивости процесса

2. совершенствование состава покрытия

3. совершенствование смазывающе-охлаждающих технолог-х сред.

Учитывая специфические структуру и свойства защитных покрытий, а также особенности макрогеометрии деталей с покрытиями особое значение приобретают мероприятия по снижению вибраций при обработке лезвийным инструментом из поликристаллов. Случайные воздействия на режущий инструмент, связанные с неравномерностью припуска на обработку и изменением механических свойств покрытий приводят к возникновению собственных колебаний в технологической системе. Колебания сопровождаются изменением сечения среза и скорости резания, при этом изменение радиальной силы резания по времени отстает от изменения режимов обработки. В таких условиях собственные затухающие колебания переходят в незатухающие автоколебания.

В качестве путей борьбы с вибрациями предлагаются следующие мероприятия:

Разработка виброустойчивых зон условий резания. Известно, что влияние неоднородности свойств покрытий может быть минимизировано за счет выбора сочетания условий резания. Практически это осуществляется выбором условий обработки, которым соответствует стабилизация тангенциальной составляющей силы резания. Как показано Ю.А. Муковозом [65], используя ковариационную функцию силы резания и функцию спектральной плотности устанавливаются условия обработки, соответствующие минимизации вибраций и увеличению стойкости инструмента;

Разработка виброустойчивого режущего инструмента. Повышение виброустойчивости режущего инструмента достигается за счет увеличения их жесткости или в результате повышения их демпфирующей способности.

Увеличение жесткости инструмента из сверхтвердых материалов достигается путем надежного закрепления режущей пластины в державке

При рассмотрении мероприятий по повышению эффективности обработки напылений необходим учет структурных особенностей и свойств материалов покрытий. Такие характеристики материала покрытий, как плотность, пористость, дефектность и др., имеют различные значения по их толщине. В связи с этим распределение механических свойств по слою покрытия имеет экстремальный вид.

По этой причине процесс точения должен вестись так, чтобы с изделия удалялись более дефектные слои покрытия, а к обработанной поверхности прилегали наиболее твердые, прочные и однородные участки материала. Следствием этого является повышение работоспособности инструмента, определяемое снижением динамических нагрузок на режущее лезвие, получение меньшей шероховатости обработанной поверхности и возрастание эксплуатационных характеристик изделий с покрытиями.

Для определения оптимальной глубины резания, при точении газопламенных порошковых покрытий системы Ni-Cr-В-Si, В.Е. Рыжовым [72] предложено следующее неравенство:

(1.9)

Значительные возможности воздействия на работоспособность инструмента заложены в использовании различных технологических сред (СОТС), оказывающих комбинированное смазочно-охлаждающее действие, снижая температуру и уменьшая фрикционное взаимодействие в зоне резания.

Исследования эффективности СОТС при обработке инструментом из КНБ, проведенные Т. Ногути и М. Б. Гордоном показывают, что газовая СОТС оказывая влияние на химические особенности контактирования в процессе резания покрытий позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 1.6 раза. Жидкие среды так же изменяют стойкость режущего инструмента на основе КНБ. Использование масляных СОТС позволяют увеличить стойкость инструмента в 1,7-2 раза. Наибольшую стойкость инструмента при точении напыленных порошковых покрытий на основе Ni обеспечивает применение 20% раствора СОТС "МР-99" в машинном масле.

Учитывая особенности инструмента из КНБ более целесообразно использование подачи жидких СОТС не поливом, а распылением. Применение распыленных СОТС рекомендуется при скоростях резания до 1,7 м/с. Указанные скорости резания соответствуют обработке многих защитных покрытий.

Еще больший эффект может быть достигнут за счет применения в СОТС присадок для сверхвысоких давлений [69]. Благодаря реакции с КНБ, приводящей к образованию пленки твердой смазки на поверхности инструмента, они предотвращают охрупчивание КНБ под воздействием термоциклирования при нагреве поликристалла в процессе резания и последующем охлаждении в жидкой среде или атмосфере воздуха. К таким присадка относятся сера и хлор.

Заключение

На волжском автомобильном заводе для производства колен валов применяют фрезы типа GFM.

Фрезы ГФМ состоят из корпуса, ложементов, клиньев, винтов, и твердосплавных пластин которые собираются на участке сборки в МСП на специальных стендах

Эти фрезы применяют для обработки шеек колен валов.

Данный вид обработки заменил ранее существовавший метод обработки спец. резцами типа U-X.

Обработка фрезами GFM получила название - охватывающего фрезерования. Фреза осуществляет движение обката относительно

неподвижного колен вала, а пластины расположенные по внутреннему отверстию фрезы формируют его профиль.

Этот метод имеет ряд преимуществ

1. Высокая производительность

2. Высокая точность обработки до 0,05мм

3. быстрая переналаживаемость сборных фрез ( метод сборки на ВАЗе)

Цель дипломного проекта:

1. Проанализировать существующий техпроцесс изготовления фрез GFM и применяемую в нем оснастку.

2. Усовершенствовать существующий ТП.

В дипломном проекте разработаны чертежи технологической оснастки которая позволит увеличить производительность и повысить качество выпускаемых фрез:

1. Спроектирован специальный резьбонарезной патрон, на базе существующей угловой сверлильной головки.

Вышеназванный патрон оснащен приспособлением, которое способно защитить метчик от поломки.

Ранее из за отсутствия такого приспособления резьба нарезалась слесарным способом (отверстие глухое короткое порядка 15мм)

В результате внедрения этой операции получаем:

1. Повышение производительности (8часов-10мин)

2. Повышение качества резьбы

2 Спроектировано установочное приспособление на станок МАНО 800. Данное приспособление позволяет обрабатывать фрезу без предварительной обработки на станке SQR (сверление базовых отверстий и карманов).

В результате внедрения приспособлений получаем:

1. Повышение производительности (за счет выполнения операции на более производительном оборудовании - обрабатывающий центр МАНО 800).

2. Повышение качества (более точный 0,01 и чиастота поверхности до Ra 1,25 - обработка монолитными фрезами из твердого сплава).

3. Спроектировано базирующие приспособление в замен имеющегося на круглошлифовальный станок DZOKA для шлифования базовых поверхностей фрезы. ( по нар диаметру).

В результате внедрения получаем:

1. За счет увеличения жесткости приспособления:

- Быстрая установка до 0,01 мм.

- Качество обработки Ra 0,63.

- Увеличение производительности за счет сокращения времени на установку и обработку (уменьшение времени на выхаживание).

В результате совершенствования тех проц. имеем повышение качества и производительности изготовления фрез ГФМ.

Экономический эффект от внедрения усовершенствованной технологии (и спроектированной оснастки) составляет 321 000 р.

Список литературы

1. Справочник инструментальщика Ординарцев И.А.

2. Справочник технолога машиностроителя Косилова

3. Справочник технолога Панова А.А.

4. Станочные приспособления справочник Т1 Варадашкина Б.Н.

5. Курсовое проектирование деталей машин Г.М. Ицкович А.С. Чернавский

6. Ю.Н. Тальнов К.Я. Васькин Станочные приспособления

7. Охрана труда в машиностроении Е.Я. Юдин

8. Сопротивление материалов В.И. Федосьев

9. Справочник подшипники качения Л.Я. Перель

10. Справочник станочные приспособления Т1 Б.Н. Врадашкин

11. Справочник станочные приспособления Т2 Б.Н. Врадашкин

12. Справочник конструктора машиностроителя Т2 В.И. Анурьев

13. Справочник режимы резания металлов Ю.В. Барановский

14. Курсовое проектирования ДМ С.А. Чернавский

15. Расчет и проектирование деталей машин Н.Ф. Киркач

16. Комплексные способы эффективной обработки резанием Ю.М. Ермаков

Приложение. Обоснование необходимости проведения патентного исследования

Одним из путей совершенствования операции резьбонарезания является совершенствование устройств (патронов, оправок) для крепления резьбообразующих инструментов, чаще всего метчиков. Известно несколько конкретных конструктивных вариантов исполнения патронов резьбонарезных. Вполне вероятно, что среди них есть конструкции, которые для данной операции являются более прогрессивными, чем рассматриваемая.

Выявить прогрессивные технические решения, которые могут лечь в основу конструкции усовершенствованного устройства - патрон резьбонарезной, можно в результате патентного исследования достигнутого уровня развития вида техники - патрон резьбонарезной.

Описание объекта

Патрон резьбонарезной применяется для крепления резьбообразующего инструмента, в данном случае - метчика. Патрон может применяться также и для крепления сверл, разверток, зенкеров и т.п. Для быстросменного закрепления метчиков на металлорежущих станках стараются применять устройства, несложные в изготовлении и эксплуатации, если нет повышенных требований к нарезаемой резьбе (например, патрон показанный на рис. 1).

Втулка 1 с отверстием под гладкий цилиндрический хвостовик имеет три отверстия для шариков 3. Втулка 1 центрируется в корпусе 5 и удерживается от выпадения штифтом 2. Такая конструкция очень проста и достаточно удобна в работе при нарезании неответственных резьб.

Патрон работает следующим образом. Вследствие наличия пружины 4 и конической поверхности, шарики 3 зажимают хвостовик метчика. Конец квадратного сечения у метчика входит в соответствующее окно в корпусе 5 и передает крутящий момент. Чтобы извлечь метчик, нужно нажать на втулку 1 в направлении хвостовика метчика. Для того чтобы исключить возможность заклинивания метчика в случае образования лунок от давления шариков, втулка 1 снабжена тремя продольными канавками. Но, несмотря на эту предосторожность, рекомендуется повышать твердость хвостовиков и квадратов метчиков.

Недостатком такого патрона является невозможность нарезания резьбы с принудительной подачей, вследствие отсутствия осевой компенсации, что приводит к подрезанию профиля первых ниток нарезаемой резьбы; недостаточная долговечность патрона (в месте расположения шариков, из-за частых, хотя и небольших, ударных нагрузок ) и надежность; получение некачественной резьбы из-за невозможности обеспечения достаточной соосности метчика и нарезаемого отверстия ( патрон компенсирует лишь неизбежно возникающие погрешности).

Рис. 1. Конструкция быстросменного резьбонарезного патрона для крепления метчиков

Стадия исследования

Формирование программы исследования.

Цель формирование программы исследования достигнутого уровня развития вида техники "Патрон резьбонарезной" обеспечить достаточную полноту и достоверность исследования при минимальных затратах на его проведение.

Этап 1. Оценка исходных условий.

Задача данного этапа - установить цель исследования достигнутого уровня развития вида техники "Патрон резьбонарезной".

Формулировка цели патентного исследования

Целью патентного исследования достигнутого уровня развития вида техники "Патрон резьбонарезной" является усовершенствование исследуемого объекта за счет устранения недостатков, указанных в описании объекта, а именно отсутствие осевой компенсации, недостаточной долговечности и надежности, недостаточной соосности метчика и нарезаемого отверстия.

Выбор стран проверки, обоснование выбора.

Исследуемое устройство относится к области обработки металлов резанием, а именно нарезание резьбы. По согласованию с руководителем выбираем в качестве стран проверки Россию и Англию.

Оценка объема, вида и наличия патентной документации стран проверки

В кабинете патентоведения кафедры "Технология машиностроения" и библиотеке института имеются :

- описания к авторским свидетельствам и патентам России;

- бюллетень изобретений России "Открытия, изобретения"

- реферативный сборник ВНИИПИ "Изобретения стран мира";

- реферативный журнал ВИНИТИ;

- журнал "Изобретатель, рационализатор";

Перечисленной выше патентной документации достаточно для проведения исследования достигнутого развития вида техники "Патрон резьбонарезной".

Этап 2. Выбор технических решений, подлежащих исследованию (ИТР)

Задача данного этапа - установить перечень технических решений, использованных в объекте, которые подлежат исследованию (ИТР).

Определение категории объекта

Патрон резьбонарезной характеризуются конструктивными признаками - формой элементов, их взаимным расположением и взаимосвязью, соотношением размеров. Это признаки устройства.

Признаки способа и вещества отсутствуют. Следовательно, как объект изобретения патрон резьбонарезной представляет собой устройство.

Выявление технических решений, используемых в объекте

Исследуемый объект патрон резьбонарезной содержит следующие технические решения :

а) Патрон резьбонарезной - общая компоновка;

б) Способы нарезания резьбы метчиком;

в) Устройство для нарезания резьбы.

Таким образом, для исследования выбираем технические решения - патрон резьбонарезной (общая компоновка).

Этап 3. Составление регламента поиска

Задача данного этапа - определить перечень классификационных индексов ИТР, минимальные ретроспективность и широту поиска, а также перечень источников информации, обеспечивающие достаточную полноту и достоверность исследования достигнутого уровня развития вида техники "Патрон резьбонарезной".

Определение классификации изобретений, действующей в странах проверки

В СССР Международная классификация изобретений действует с 1962 г. в ФРГ - с 1966 г. Таким образом, срок действия МКИ в странах проверки больше, чем период времени, в течении которого могут быть созданы прогрессивные устройства для крепления резьбообразующего инструмента такого, как метчик.

Поэтому при проведении исследования будем пользоваться МКИ по всем странам проверки.

Определение рубрик МКИ и индекса УДК для каждого из ИТР

Для определения рубрик МКИ ИТР "Патрон резьбонарезной" определяем ключевые слова "Нарезание резьбы":

В23В31/00 - Инструменты для нарезания резьбы и патроны для них.

Индексы УДК определяем по Указателю универсальной десятичной классификации 621.952 - нарезание резьбы.

Установление глубины поиска и ее обоснование

На основании общего анализа состояния активного контроля в машиностроении, и в частности вида техники "Патрон резьбонарезной" полагаем, что наиболее прогрессивные технические решения содержатся в изобретениях, сделанных в последние пятнадцать лет. Поэтому глубину поиска при исследовании достигнутого уровня развития вида техники определяем в 15 лет.

Определение источников информации и их обоснование

В качестве источников информации принимаем источники, имеющиеся в кабинете патентоведения кафедры " Технология машиностроения ", в библиотеке ТолПИ: описания к авторским свидетельствам и патентам, бюллетень "Открытия, изобретения", реферативный журнал "Резание металлов. Станки и инструменты", технические журналы и книги в области мехобработки.

Данные заносим в таблицу:

Регламент поиска N_____

Объект - патрон резьбонарезной.

Вид исследования - исследование достигнутого уровня развития вида техники.

Таблица 1

Предмет поиска (ИТР)

Страны поиска

Индексы МКИ (НКИ) и УДК

Глубина поиска, лет

Источники информации

Патрон резьбонарезной

СССР, Англия

МКИ B23В31/00 УДК 621.952


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.