Содержание

• Реферат
• Введение
• 1. Анализ исходных данных
• 1.1 Назначение и конструкция детали
• 1.2 Классификация поверхностей детали
• 1.3 Анализ технологичности конструкции детали
• 1.4 Определение типа производства
• 1.5 Анализ базового варианта технологического процесса
• 2. Выбор и проектирование заготовки
• 2.1 Выбор способа получения заготовки
• 2.2 Проектирование заготовки
• 2.3 Обоснование необходимости введения изменений в конструкцию детали и заготовки
• 3. Разработка технологического маршрута и схем базирования
• 3.1 Разработка технологического маршрута
• 3.2 Выбор технологических баз
• 3.3 Разработка плана обработки
• 3.4 Выбор средств технологического оснащения
• 4. Совершенствование технологического процесса на основе патентных и научных исследований
• 5. Разработка технологических операций
• 5.1 Расчет припусков
• 5.2 Структура операций
• 5.3 Выбор режущих инструментов
• 5.4 Расчет режимов резания
• 5.5 Определение технических норм времени
• 6. Проектирование специальной оснастки
• 6.1 Проектирование режущего инструмента
• 6.2 Проектирование станочного приспособления (спец. патрон для токарной обработки)
• 6.3 Проектирование контрольного приспособления (для контроля торцевого и радиального биений)
• 7. Проектирование производственного участка
• 8. Определение экономической эффективности проекта
• 9. Экологичность и безопасность проекта
• 9.1 Анализ опасных и вредных факторов при обработке ступицы переднего колеса автомобиля ВАЗ 212137
• 9.2 Мероприятия по устранению вредных и опасных факторов
• 9.3 Расчет искусственного освещения
• 10. Оптимизация режимов резания с использованием ЭВМ
• Заключение
• Литература

УДК 621.824-762.6

Реферат

Технологический процесс изготовления ступицы переднего колеса автомобиля ВАЗ 21213.

Кафедра: Технология машиностроения.

ТГУ: Тольятти, 2003г., - 164 с., 10 л. формата А1.

Целью дипломного проекта является разработка технологического процесса изготовления ступицы переднего колеса в условиях серийного производства.

На основе научных исследований рассмотрены вопросы нового метода обработки - высокоскоростного шлифования. Разработан полный технологический процесс изготовления ступицы переднего колеса.

Эффективность внедрения нового метода обработки подтверждена экономическим расчетом.

Введение

Машиностроение является важнейшей отраслью промышленности. Её продукция - машины различного назначения - поставляются всем отраслям народного хозяйства. Рост промышленности и народного хозяйства, а так же темпы перевооружения их новой технологией и техникой в значительной степени зависят от уровня развития машиностроения.

Перед технологами - машиностроителями стоят задачи дальнейшего развития и повышения выпуска машин, их качества, снижения трудоёмкости, себестоимости и металлоемкости их изготовления, внедрение поточных методов работы, механизации и автоматизации производства, а также сокращение сроков подготовки производства новых объектов.

Массовый выпуск машин стал возможен в связи с развитием высокопроизводительных методов производства, а дальнейшее повышение точности, мощности, КПД, износостойкости и других показателей работы машин было достигнуто в результате разработке новых технологических методов и процессов. Именно поэтому очень важно, что бы на предприятиях массового производства технологические процессы были более совершенными. Отсюда вытекает цель дипломного проекта: разработка нового техпроцесса производства ступицы переднего колеса автомобиля ВАЗ 21213 и приведение его к оптимальному варианту. При этом необходимо стремиться к решению следующих основных задач, которые являются частными комплексами общемашиностроительных задач настоящего времени.

1. Спроектировать заготовку с максимальным коэффициентом использования материала и с минимальной себестоимостью.

2. Разработать технологический процесс обработки ступицы с использованием новейших достижений науки и техники и отвечающий требованиям технологичности (экономичности, точности, качества и т.д.).

3. Составить оптимальную схему обработки.

4. Спроектировать конструкцию инструмента и оснастки, отвечающую современным требованиям.

При решении этих задач необходимо, прежде всего, руководствоваться целесообразностью вводимых изменений с экономической точки зрения.

1. Анализ исходных данных

1.1 Назначение и конструкция детали

Деталь - ступица переднего колеса является одной из важнейших деталей трансмиссии автомобиля ВАЗ 21213. Она предназначена для передачи крутящего момента с привода на колесо автомобиля, а также для расположения на ней конических подшипников, крепления диска переднего тормоза. Деталь базируется шлицами на корпус наружного шарнира привода передних колес. Деталь получена из стали 40ХГНМ по ТУ14-1-2252-84. Химический состав и механические свойства представлены в табл. 1.1 и 1.2. соответственно.

Таблица 1.1. Химический состав стали 40ХГНМ ТУ14-1-2252-84,%

C	Si	Mn	Cr	Ni
0,37-0,43	0,17-0,37	0,5-0,8	0,4-0,6	0,4-0,7

Таблица 1.2. Механические свойства стали 40ХГНМ

Предел текучести, Т, МПа.	Временное сопротивление разрыву, В, МПа.	Относительное удлинение, 5, %.	Ударная вязкость, aH, кДж/м2
1375	960	9	586

Так как на деталь действуют большие крутящие и изгибающие моменты, то выбор материала вполне обоснован.

На рис. 1.1. показана ступица переднего колеса в сборе.

Основными контрольными размерами и показателями детали являются:

диаметры под подшипники;

диаметры под установочные болты для закрепления колеса;

отклонения формы и взаимного расположения поверхностей: торца со стороны крепления колеса и со стороны крепления тормозного диска к оси детали.

Деталь устанавливается шлицами на корпус наружного шарнира. К детали крепится шестью болтами (запрессовываются) диск переднего тормоза. На ступицу устанавливаются сальник, кольцо и запрессовывается конический подшипник. Корпус наружного шарнира крепится посредством втулки и гайки. Также устанавливается защитный колпак. На ступицу устанавливается диск колеса.

Рис. 1.1. Ступица переднего колеса в сборе

1.2 Классификация поверхностей детали

Проклассифицируем поверхности детали. Рассмотрим поверхности ступицы переднего колеса. На рис. 1.2. укажем наиболее важные поверхности данной детали. Исполнительными поверхностями детали будут пов. 7, 46, 49, так как именно они служат для передачи крутящего момента. Основными поверхностями будут пов. 48, 7, 27, 31 при помощи которых ступица базируется на корпусе наружного шарнира, и пов. 27, 31 являются ОКБ. Вспомогательными поверхностями будут являться пов. 20, 24, 3, 5, 7, 11, 13, 15, 19, 33, 40, 41, 42, 38. На них или в них устанавливаются детали: болты, корпус наружного шарнира, подшипники, прокладка, защитный колпак. В таблице 1.3. представлена классификация поверхностей ступицы переднего колеса.

Таблица 1.3. Классификация поверхностей детали

Вид поверхности	Номер поверхности
Основная	48, 7, 27, 31
Вспомогательная	20, 24, 3, 5, 7, 11, 13, 15, 19, 33, 40, 41, 42, 38
Исполнительная	46, 49, 7
Свободная	Все остальные

Рис.1.2. Классификация поверхностей детали - ступицы переднего колеса.

1.3 Анализ технологичности конструкции детали

Заготовка для детали изготавливается в базовом варианте техпроцесса горячей штамповкой, поэтому конфигурация не вызывает значительных трудностей при ее получении. Получение заготовки другими методами получения затруднено особенностями материала. С точки зрения механической обработки деталь имеет несколько поверхностей требующих специальных методов обработки имеющих высокую трудоемкость. Так протягивание шлицевых пазов очень трудоемко и требует дорогостоящего инструмента. Накатка галтелей требует специального оборудования и сама операция нетехнологична. Возможна замена накатки на иные методы обработки, не требующие специального оборудования (выглаживание, обкатка шариками, дробеструйная обработка). Так как радиусы режущего инструмента (сменных многогранных пластин) составляют следующие стандартные значения R0.2, R0.4, R0.8, R1.2, то значения радиусов на чертеже детали необходимо сопоставить с данными радиусами. Одним из самых частых дефектов ступицы переднего колеса на автомобиле при эксплуатации является возникновение биения поверхности 5 относительно поверхностей 27 и 31. Чертеж детали с конструкторской и технологической точек зрения выполнен на нормальном уровне: проставлены основные отклонения форм и размеров. На чертеже детали практически все размеры указаны. Чертеж детали представлен на листе 00.М15 графической части проекта. В самом первом приближении можно определить технологичность детали с помощью коэффициентов:

- коэффициент точности

;	(1.1)
;	(1.2)

где, Т_CP - среднее значение точности; T_i - квалитет i-ой поверхности;

n - число поверхностей с текущим квалитетом;

Т_CP=10,8; К_точ=0,91;

- коэффициент шероховатости

;	(1.3.)
;	(1.4.)

где, Ш_СР - средняя шероховатость, Ra;

Ш_i - текущая шероховатость поверхности;

n_i - число поверхностей с данной шероховатостью;

Ш_СР=12,5;

К_ш=0,92.

1.4 Определение типа производства

Тип производства зависит от двух факторов, а именно: заданной программы выпуска и трудоемкости изготовления изделия. Нередко трудоемкость выражают (при определении типа производства) через массу изделия.

На основании заданной программы рассчитывается такт выпуска, а трудоемкость определяется средним штучным временем Т_шт.ср по операциям действующего на производстве или аналогичного техпроцесса. Отношение этих величин принято называть коэффициентом серийности К_C.

;	(1.5.)
;	(1.6.)

где, t_в - такт выпуска;

Т_шт.ср=16 мин;

;	(1.7)

где, Ф_ЭФ = 4032ч - эффективный годовой фонд рабочего времени при 2х сменной работе;

N = 10000 дет/год - объем выпуска деталей;

t_в=24,192 мин

Тогда коэффициент серийности: К_с=1,54

Коэффициент серийности:

для массового производства К_С=1;

для серийного производства 1< К_С <10.

Из значений К_С видим, что тип производства - серийный.

1.5 Анализ базового варианта технологического процесса

Поскольку материал ступицы переднего колеса - сталь 40ХГНМ, то заготовку можно получить только методами обработки металлов давлением. Заготовку из проката получать нецелесообразно. Из всех видов ОМД наиболее предпочтительными в условиях серийного производства являются горячая штамповка на горизонтально-ковочных машинах и свободная ковка (выбор метода получения заготовки рассмотрен в следующем разделе).

В условиях серийного производства необходимо придерживаться следующего: максимальная концентрация операций на одном оборудовании, использование унифицированного инструмента и оснастки.

Базирование выполнено правильно, соответствует принципам постоянства и единства баз.

На операциях протягивания и шлифования мы модернизируем существующий техпроцесс.

2. Выбор и проектирование заготовки

2.1 Выбор способа получения заготовки

Из всех видов обработки металлов давлением наиболее предпочтительными для ступицы переднего колеса в условиях серийного производства являются горячая штамповка (базовый вариант) на горизонтально-ковочных машинах и свободная ковка.

Выбор метода получения заготовки определяемый экономическим расчетом по методике, изложенной в [1].

Данные методы получения заготовки отличаются геометрическими параметрами получаемых поковок, а следовательно массой. При горячей штамповке припуски на обработку и масса поковки несколько меньше, чем при получении свободной ковкой. Базовая стоимость одной тонны заготовок в обоих случаях одинакова. Исходя из вышесказанного, целесообразно провести только расчет себестоимости заготовки, полученной горячей штамповкой.

Стоимость заготовки, полученной горячей штамповкой, с достаточной для стадии проектирования точностью можно определить по формуле:

;	(2.1)

где, С - базовая стоимость 1 кг заготовок, полученной штамповкой С=37,3, руб;

К_Т - коэффициент, учитывающий точность штамповки, для поковок нормальной точности К_Т=1,0;

К_М - коэффициент, учитывающий марку материала; для стали 40ХГНМ при штамповке К_М=1,13;

К_С - коэффициент, учитывающий группу сложности; 2-ая группа сложности, при литье в кокиль К_С=0,87;

К_В - коэффициент, учитывающий массу поковок К_В=0,89;

К_П - коэффициент, учитывающий объем производства К_П=1;

Q - масса заготовки, Q=4,35 кг;

q - масса детали, q=1,9 кг;

S_отх - цена 1 кг отходов, S_отх=2,81 руб.

Подставим все значения в формулу (2.1) и получим:

С_ЗАГ=37,34,3510,870,891,131,0-(4,35-1,9) 2,81=135,1 руб/кг

Данную стоимость заготовки и примем в дальнейших расчетах.

2.2 Проектирование заготовки

Проектирование поковки ступицы переднего колеса осуществим по методике изложенной в [2].

На основании выбранного способа получения заготовки, ее формы и массы назначаем 2 класс точности изготовления поковки, вторую группу стали (М2), вторую степень сложности поковки (С2).

По этим данным табличным способом назначим припуски и допуски на требуемые размеры, которые представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Припуски и допуски на размеры

Размеры, мм	Допуск, мм	Припуск на сторону, мм
До 50	+1,9	2,3
	-1,0
50-120	+2,1	2,4
	-1,1
120-180	+2,4	2,5
	-1,2
180-260	+2,5	2,7
	-1,5

Допуски на внутренние размеры поковок устанавливаем с обратным знаком. Штамповочные уклоны назначаем исходя из технических требований и для упрощения изготовления поковки принимаем 6⁰, их направление в сторону увеличения размеров. Радиусы закруглений назначаем исходя из конструктивных особенностей детали.

Определим коэффициент использования материала:

	(2.2)

Чертеж заготовки представлен на листе

2.3 Обоснование необходимости введения изменений в конструкцию детали и заготовки

Деталь ступицы переднего колеса работает в тяжелых условиях. На деталь воздействуют большие крутящие и изгибающие моменты.

Проанализируем напряжения возникающие в детали. В окрестностях выточек, отверстий, а также в зоне контакта деформируемых тел наблюдается резкое увеличение напряжений. (рис2.1)

Рис. 2.1. Концентрация напряжений в растянутой пластине в зоне резкого изменения ее формы и вместе выточек.

Максимальное напряжение в сечении 2-2 можно выразить формулой, через коэффициент концентрации напряжений:

	(2.1)

Напряжения возникают при изгибе, растяжении и др. Необходимо отметить, что только для некоторых задач о концентрации напряжений найдены точные аналитические решения. В последнее время в связи с широким применением электронных вычислительных машин для решения задач теории упругости и использованием численных методов оказывается возможным найти теоретический коэффициент концентрации напряжений с достаточной для практических целей точностью для многих очагов концентрации напряжений.

Рис. 2.2. Концентрация напряжений в изгибаемой пластине с выточками.

Так например теоретический коэффициент концентрации напряжений для случая изображенного на рис 2.2 можно представить формулой:

	(2.2)

Приведенный выше случай можно с достаточной точностью применить для определения концентрации напряжений поверхностей 34, 35 ступицы переднего колеса. Так как на коэффициент концентрации напряжений оказывает влияние только кривизна у дна выточки, то изменив радиус кривизны мы можем снизить концентрацию напряжений.

Следует обратить внимание на одну принципиальную трудность решения задачи о концентрации напряжений. Из формулы видно, что при R=0 выточка имеет форму острого угла, в вершине угла напряжения равны бесконечности. В действительности вследствие проявления пластических свойств материала напряжения не превращаются в бесконечность, но достигают больших значений.

Рис. 2.3. Изменения чертежа детали - ступицы переднего колеса автомобиля ВАЗ 21213.

Таким образом для снижения напряжений, предупреждения возникновения трещин ступицы переднего колеса в чертеже детали и заготовки допускается заменить поверхности 35 на галтель большего радиуса (рис. 2.3). Примем радиус наиболее возможный по конструкции детали R=8 мм.

3. Разработка технологического маршрута и схем базирования

Так как заготовка ступицы переднего колеса получена горячей штамповкой, то у нас отпадает необходимость в специальной операции подготовки технологических баз, как, например фрезерно-центровальная в случае заготовки из проката. Подготовку черновых баз можно заложить в заготовке. Главное, чтобы удовлетворялись следующие требования: черновая база должна иметь достаточный размер, точность, шероховатость, обеспечивающие устойчивое положение и закрепление заготовки.

3.1 Разработка технологического маршрута

При формировании маршрута обработки на последовательность и содержание операций влияет много факторов: диаметр детали, протяженность обрабатываемых поверхностей, точность размеров и форм, точность расположения поверхностей, материал, твердость поверхностного слоя, габаритные размеры заготовки и др. Но в любом случае, последовательность технологических операций формируется, исходя из принципа повышения точности и понижения шероховатости. Вначале обработка будет вестись лезвийным инструментом, затем шлифованием. Обработка отверстий осуществляется сверлением, зенкерованием, развертыванием. Составим маршрут обработки и сведем его в таблицу 3.1.

Таблица 3.1. Маршрут обработки ступицы переднего колеса

№ оп.	Наименование и содержание операции	Квалитет	Шероховатость, Ra
00	Заготовительная	17	50
10	Токарная Переход 1. Сверление пов. 47 Переход 2. Точение пов.1-5, 8,9 Переход 3. Растачивание пов. 30-31 пов. 37-45. Переход 4. Сверление, зенкерование, развертывание пов. 7	14 10 8 10 10	20 5 2,5 5 5
20	Токарная Переход 1. Точение пов.10-15, 19-26, 32-34 Переход 2. Сверление пов. 47 Переход 3. Растачивание пов. 29 пов. 27-28 Переход 4. Точение пов. 32-36 Переход 5. Точение пов. 16-18 Переход 6. Зенкование пов. 6	10 14 10 8 10 10 14	5 20 5 2,5 5 5 5
30	Шлицепротяжная Протягивание пов. 46-49	8	2,5
40	Моечная	-	-
50	Шлифовальная Шлифование пов. 11-13, 15, 19, 20, 24, 33, 34	6	1,25
60	Шлифовальная Шлифование пов. 3-5	7	2,5
70	Накатная Накатывание пов. 19, 35	-	1,25
80	Моечная	-	-
90	Контрольная	-	-

3.2 Выбор технологических баз

Для первой операции обработки в качестве черновых баз можно использовать пов. 15 и диаметры под подшипники 20 ступицы переднего колеса (рис.1.2). Последующая обработка будет вестись от поверхностей 3, 5. На операции шлифования используются в качестве баз пов. 27 и 31. Высокие требования к параллельности и перпендикулярности торцовых поверхностей относительно основных конструкторских баз обеспечиваются на шлифовальных операциях. Базирование осуществляется таким образом, что в качестве технологических баз принимаются основные конструкторские.

В данном случае должны соблюдаться принципы базирования:

обеспечиваться заданная точность;

соблюдаться принцип постоянства баз.

3.3 Разработка плана обработки

На основе разработанного маршрута обработки составим план обработки. План обработки представлен на листах

3.4 Выбор средств технологического оснащения.

При выборе оборудования необходимо учитывать целый ряд показателей:

производительность;

стоимость;

уровень автоматизации и механизации.

Показатели, зависящие от технологической последовательности и содержания операций:

точностные и качественные характеристики, изготавливаемого изделия;

расход материалов;

универсальность или переналаживаемость оборудования;

компоновка и габариты;

безопасность;

показатели вредности (уровень шума, вибрации, загрязнение окружающей среды).

Кроме того, необходимо учитывать комплектность и гарантируемую долговечность, а так же многое другое.

Первые два показателя (производительность и точность) являются приоритетными.

Исходя из типа производства (серийное) принимаем станки с числовым программным управлением и универсальные на все операции. Выбранное оборудование представлено в таблице 3.2.

На операциях используется универсальный сборный инструмент. Осевой инструмент выполнен (в основном) из быстрорежущей стали, лезвийный (режущие пластины) - твердосплавный.

Таблица 3.2. Используемое СТО

№ оп.	Оборудование
10	Токарный станок с ЧПУ фирмы "Бёрингер" VDF180
20	Токарный станок с ЧПУ фирмы "Бёрингер" VDF180
30	Протяжной станок
40	Токарный станок с ЧПУ фирмы "Бёрингер" VDF180 (с оп. 10)
50	Моечная машина
60	Шлифовальный станок с ЧПУ фирмы "Schaudt" ZX-11(CBN)
70
80	Токарный станок с ЧПУ фирмы "Бёрингер" VDF180 (с оп. 20)
90	Моечная машина
100	Контрольная

4. Совершенствование технологического процесса на основе патентных и научных исследований

Целью научного исследования является обзор новых методов высокоскоростного шлифования с использованием новых материалов и расчет режимов резания к нему.

4.1 Новое развитие в области технологии шлифования

4.1.1 Проблематика высокоскоростного метода шлифования и возможные решения

При обработке заготовки шлифованием твердость материала и жесткие требования к геометрической точности обработанных поверхностей, как правило, не представляют собой никакой проблемы. Применение находит высокотвердый абразивный инструмент с множеством режущих кромок, по сравнению с режущим инструментом с определенной геометрией обеспечивающий съем лишь небольшого объема снимаемого материала.

Нежелательный эффект, однако, у абразивного инструмента с множеством режущих кромок и неэффективная для снятия материала геометрия абразивного зерна со свойственным ему большим отрицательным передним углом выражается в том, что обладающая часть приводной мощности из-за непродуктивных трущих и мнущих движений зерна о материал преобразуется в тепло. В связи с этим усилия резания и рабочая температура относительно высокие уже при незначительном объеме снимаемого материала за единицу времени. При дальнейшем повышении производительности увеличивается объем снимаемого материала, в результате чего отрицательные явления, сопутствующие процессу шлифования, интенсивируются соответственно.

Итак, при обработке заготовки высокоскоростным методом шлифования, как правило, неизбежен большой износ абразивного инструмента, в свою очередь вызывающий и изменение топографии инструмента, зачастую обусловленное засаливанием шлифовального круга. Таким образом, механическая и термическая нагрузки не участвующие в процессе резания элементы в немалой степени увеличиваются из-за интенсификации процессов трения.

Большие же усилия резания во время обработки повлекут за собой всякого рода вибраций, в свою очередь оказывающие отрицательное действие на абразивный инструмент и обрабатываемую заготовку, что сказывается в образовании отклонений размеров и профиля ее. Что касается качества обрабатываемой поверхности заготовки, то с увеличением толщины снимаемой в высокопроизводительном режиме обработки стружки увеличивается и шероховатость обрабатываемых поверхностей заготовки, что делает трудным получение хороших показателей качества, укладывающихся в узкий диапазон допусков.

Дополнительный, не менее важный аспект, результата обработки касается эффекта теплообразования при большом относительном объеме снимаемого материала за единицу времени в результате подаваемого энергопотенциала. Во многих случаях термическая нагрузка краевых участков обрабатываемой заготовки является важнейшим предельным критерием для повышения производительности процесса обработки. Из-за изменения топографии абразивного инструмента, вызванного его износом, тут еще ожидается заметное увеличение термической нагрузки, не говоря уже о возможных деформациях, вызванных уровнем усилий резания.

Исходя из изложенного выше станет понятным, почему требуемые параметры по размерам, геометрии и чистоте обработанных высокопроизводительным способом поверхностей заготовки чаще всего на практике реализоваться не могут. На базе этой проблематики следующие решения нами представляются реальными для выполнения высокопроизводительных процессов шлифования. Так, например, необходимо предпринимать все меры для того, чтобы топография выбранного абразивного инструмента, в течение процесса обработки изменилась бы только в незначительной степени. Одна возможность для удовлетворения этого требования заключается в использовании абразива, допускающего высокую нагрузку. Например, корунд циркония, находящий применение при изготовлении высоконапорных шлифовальных кругов или высокопроизводительных шлифовальных лент благодаря свойственной ему вязкости при достаточной твердости предупреждает преждевременное разрушение абразивных зерен. Нагрузочные характеристики кубического нитрида бора (CBN) в кристаллической фазе, с другой стороны, в первую очередь объясняются исключительно большой его твердостью, немного уступающей твердости алмаза. Другой возможностью для уменьшения процесса изнашивания шлифовального круга является уменьшение объема снимаемого материала. В этом отношении повышение окружных скоростей шлифовального круга дало хорошие результаты. Невысокий уровень усилий шлифования реализуем за счет оптимальной рабочей геометрии абразивного зерна, обладающего как можно более острыми режущими кромками. Помимо кубического нитрида бора, в полной мере отвечающего этим требованиям, еще существует возможность сохранения топографии абразивного инструмента и тем самым начальную режущую способность его за счет применения специального метода правки, т. н. Continuous Dressing = CD (беспрерывной правки). Дополнительной мерой для уменьшения усилий шлифования является и компенсация объема снимаемого материала повышением окружных скоростей шлифовального круга, помимо этого положительно содействующих и на чистоту обрабатываемых поверхностей заготовки. Представленным выше требованиям к реализации высокопроизводительных процессов шлифования и сегодня удовлетворяют пока только немногие способы шлифования. Помимо технологий высокоскоростного шлифования и беспрерывной правки (CD) стоит упомянуть и относительно неизвестный способ высокопроизводительного ленточного шлифования. Все три названных метода абразивной обработки допускают съем объема снимаемого материала за единицу времени, на 10 раз выше по сравнению с традиционными способами металлообработки.

4.1.2 Основы технологии высокоскоростного метода шлифования

Для более детального понимания функциональных взаимосвязей между технологическими параметрами и окончательным результатом обработки высокоскоростным методом шлифования будет полезно сначала обсудить процесс стружкообразования на примере контактирования шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью заготовки (рис. 4.1). В рамках шлифования этот процесс условно можно разделить на 3 фазы [3].

В момент соприкосновения абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью заготовки процесс стружкообразования пока еще не начинается. В соответствии с техническими параметрами, как обрабатываемого материала, так и используемого шлифовального круга на этапе I пока происходит упругая деформация материала заготовки. В то же время из-за движения абразивного зерна относительно материала получен эффект трения. С повышением глубины врезания абразивного зерна в материал, вызывающим и повышенное усилие давления, между ними в момент перехода предела текучести материала происходит и упругая деформация его с образованием внутреннего трения. Абразивное зерно в материале развивает пашущее действие, а на боковых поверхностях задира образуется насыпь (этап II). Этап III начинается лишь с момента врезания в материал до так называемой н. активной глубины резания, определяемой рабочей геометрией абразивного зерна, кинематическими условиями процесса резания, а также физико-механическими свойствами обрабатываемого материала. На этом последнем этапе происходит фактическое образование стружки. При этом по-прежнему действуют упругая и пластичная деформации, а также трение, описанные на этапах I и II. Решающими для оценки важных факторов для придания шлифуемым изделиям нужных эксплуатационных качеств являются как поперечное сечение среза, обуславливающее конфигурацию и глубину выпаханных в материале задиров, так и степень пластичной деформации, а также действующая в зоне резания температура. В этом отношении повышение окружных скоростей шлифовального круга имеет большой эффект, заключающийся в том, что при сохранении всех остальных параметров обработки уменьшается толщина индивидуальных слоев снимаемого материала. При идентичном объеме снимаемого материала за единицу времени или времени цикла обработки повышение окружных скоростей шлифовального круга делает возможным уменьшение толщины снимаемой стружки, улучшение шероховатости шлифуемых поверхностей заготовки, а также снижение усилий резания (рис. 4.2). Поэтому уменьшенным прогибом обрабатываемой заготовки в результате пониженных номинальных усилий резания обеспечена повышенная точность размеров окончательно обработанной заготовки.

4.1.3 Критерии выбора пригодного для скоростного метода шлифования шлифкруга

Центробежные силы, действующие при работе на больших окружных скоростях, предъявляют жесткие требования к конструктивному исполнению шлифовальных кругов. На рис. 4.3 наглядно продемонстрирована зависимость прочности шлифовального круга на разрыв от используемого абразива и конструкции самого шлифовального круга. Указаны и области применения, характерные для сегодняшней промышленной практики.

Для традиционных типов шлифовальных кругов при существенном затрате средств на этапе конструкции и изготовления предельными являются скорости разрушения до 175 м/с. С учетом определенного коэффициента безопасности данная величина соответствует максимально допустимой окружной скорости шлифовального круга 125 м/с. Гораздо лучшими свойствами для высокоскоростного метода шлифования обладают шлифовальные круги с более или менее массивным базовым материалом и только относительно тонким слоем абразива, который, однако, должен обладать максимальной стойкостью к износу, как, например, кубический нитрид бора в кристаллической фазе (CBN). Для абразива такого типа разрушающая окружная скорость определяется выбором базового материала шлифовального круга. Для шлифовальных кругов на полимерной связке допустимыми являются величины в диапазоне 150 м/с, что более или менее соответствует стандартным типам шлифовальных кругов. Для шлифовальных кругов, при изготовлении которых в качестве наполнителя применен металлический порошок, реальны окружные скорости значительно выше 200 м/с.

Рис. 4.1.Схематичное представление операции шлифования.

Рис. 4.2. Улучшение параметров шлифуемых поверхностей и уменьшение усилий шлифования, благодаря повышенным окружным скоростям шлифовального круга.

Рис.4.3. Прочность к разрушению шлифкругов разной конструкции и с различным абразивным слоем.

Шлифовальные круги из массивного металла обладают такой высокой степенью прочности, для которой еще не удалось установить допустимый предел окружных скоростей для формулирования величины прочности на разрыв. В экспериментальных условиях были реализованы окружные скорости до 300 м/с, однако, дальнейшее повышение скорости вполне возможно. Для современных шлифовальных кругов типа CBN на керамической связке с определенной пористостью официально допущены только скорости не выше V = 120 м/с. Рассматривая статистическую долю скоростей V, встречаемых ныне в промышленной практике, ситуация следующая: шлифовальные круги со сверхтвердым абразивным покрытием, вопреки их повышенной прочности по отношению к стандартным типам шлифовальным кругов, в основном работают на незначительно более высоких окружных скоростях. Причиной для неполной реализации возможностей шлифовальных кругов типа CBN в плане производительности чаще всего является отсутствие в нужной мере оснащенных станков. Это обидно именно потому, что положительные эксплуатационные свойства сверхтвердых абразивных материалов и технологии высокоскоростного метода шлифования в идеальной мере являются взаимодополняющими. При сравнении шлифовальных кругов типа CBN с традиционными типами преимущества первых очевидны. При этом был учтен и алмазный материал, так как он обладает аналогичными материалу CBN рабочими характеристиками. Однако следует иметь в виду, что алмазные шлифовальные круги, как правило, не применяют ни при обработке стальных поверхностей, ни при работе на высоких окружных скоростях. Оба сверхтвердых абразива обладают исключительной стойкостью к истиранию и вызывают относительно невысокий уровень усилий резания при незначительных температурах. Причиной этому, с одной стороны, является твердость индивидуальных абразивных зерен со своими острыми режущими кромками, а, с другой стороны - небольшое по отношению к стандартным типам шлифовальных кругов количество режущих кромок на рабочей поверхности круга, первая из которых, как правило, дает более низкую чистоту шлифуемых поверхностей заготовки. Данный недостаток при эксплуатации шлифовальных кругов типа CBN может компенсироваться повышением окружных скоростей. Помимо этого выбор подходящего абразива играет немаловажную роль при формировании собственного напряжения на краевых участках обрабатываемой заготовки, что в случае высоко нагруженных деталей является решающим фактором. Образовавшиеся в результате процесса стружкообразования усилия трения и связанные с этим температуры внутри заготовки нарастают по мере затупления режущих кромок шлифовального круга, т. е. повышенное собственное напряжение заготовки получено в результате работы затупившимися режущими кромками. Эффект закругления рабочих кромок абразива заметно меньше выражен при эксплуатации высокотвердого абразива типа CBN. Его твердость по сравнению с корундом или карбидом кремния значительно выше. Не следует забывать и о том, что кубический нитрид бора в кристаллической фазе имеет тенденцию к образованию трещин, чем объясняется уменьшенная интенсивность закругления режущих кромок шлифовального круга. Дополнительным положительным аспектом в плане защиты заготовки от повреждений является высокий коэффициент теплопроводности кубического нитрида бора, который более, чем на 20 раз выше, чем у корунда. Перечисленные здесь специфические физико-механические свойства абразивного материала объясняют положительный эффект эксплуатации шлифовальных кругов типа CBN.

4.2 Основы высокоскоростной технологии шлифования (HSG - Technologie)

Под термином HSG-Technologie следует понимать высокоскоростной метод обработки поверхностей металлической заготовки шлифованием, разработанный фирмой GUHRING, отличающийся весьма большими окружными скоростями шлифовального круга и режимами подачи и обеспечивающий тем самым наивысшую производительность технологической операции шлифования. Обработка заготовки по HSG-Technologie по существу является процессом шлифования. Поэтому и качественные параметры шлифуемой поверхности отвечают техническим требованиям технологии шлифования. В промышленной практике HSG-Technologie по производительности съема материала конкурирует с методами обработки заготовки резанием, как, например, фрезерование, протягивание и обтачивание. Обсуждаемая технология не ограничивается определенным способом реализации процесса шлифования и поэтому может применяться в различных отраслях металлообрабатывающей промышленности.

Обработка плоских поверхностей на полной скорости подачи по принципу глубинного шлифования для получения поверхностей, пазов, шлицев, зубчатых зацеплений и т. п.

Обработка круглых поверхностей на полной скорости подачи на оборот обрабатываемой заготовки при наружном круглом врезном шлифовании с цилиндрическими или же фасонными шлифовальными кругами, при шлифовании в подрезку, или же при фасонном шлифовании с управлением от системы ЧПУ.

Комбинированная обработка плоских и круглых поверхностей, а именно при винтовом шлифовании винтов, спиралей, червяков и т. п.

Все представленные на рис. 4.4 детали изготовлены методом высокоскоростного шлифования на фирме GUHRING и наглядно демонстрируют потенциальные возможности и большой спектр полученных по HSG-Technologie изделий. Так, например, повышением окружной скорости шлифовального круга при эксплуатации шлифовальных кругов стандартного типа (из корунда или карбида кремния на керамической или полимерной связке) с 30 на 120 м/с объем снимаемого в то же время материала может быть увеличен так, что машинное время шлифования могло бы быть уменьшено на около 95 %. При использовании шлифовальных кругов типа CBN (кубический нитрид бора), производительность далее может быть повышена за счет значительного увеличения окружных скоростей шлифовального круга свыше 120 м/с. В мировой практике на сей день стандартной является скорость 180 м/с. В некоторых случаях в экспериментальных условиях освоена и скорость 250 м/с.

Рис. 4.4. Детали обработанные по HSG-Technologie.

4.2.1 Процесс обработки по HSG-Technologie

Процесс обработки заготовки шлифованием доныне имеет место в самом конце технологической цепочки и рассчитан на получение поверхности, отвечающей высоким требованиям по качеству профиля, размеров и шероховатостей. Поверхности твердосплавных заготовок зачастую также обрабатывают способом шлифования. Объем снимаемого материала при чистовой обработке небольшой.

То, что HSG-Technologie связывает с традиционным способом шлифования в общем смысле есть окончательный результат обработки, т. е. технологические режимы, как

окружная скорость шлифовального круга,

скорость подачи заготовки,

размер подачи и

объем снимаемого материала (производительность)

на несколько порядков выше принятых сегодня параметров. При работе по HSG-Technologie с эксплуатацией

шлифовальных кругов стандартных типов (из корунда или карбида кремния на керамической или полимерной связке), окружные скорости шлифовального круга составляют 60...120 м/с;

шлифовального круга типа CBN на сверхтвердой связке, окружные скорости составляют до около 150 м/с;

стальных шлифовальных кругов с покрытием из кубического нитрида бора (в кристаллической фазе) на гальванической связке, окружные скорости составляют до около 250 м/с.

Благодаря таким повышенным скоростям параметры подачи и глубины обработки по сравнению с традиционным способом шлифования могут увеличиваться в 100...500 раз. Даже производительность, реализуемая методами обработки фрезерованием, обтачиванием или протягиванием в значительной мере уступает получаемой по HSG-Technologie. В общем случае производительность, присущая высокоскоростному способу шлифования, на 10...20 раз выше полученной при обработке заготовки со снятием стружки. На рис. 4.5 дана принципиальная схема HSG-Technologie. Материал на поверхности заготовки во всю ширину B_D и всю глубину а_е снимается одним проходом шлифовального круга. При этом характер траектории перемещения подаваемого круга не играет роли: либо в линейном направлении (плоское шлифование), либо в круговом (наружное круглое шлифование). Важным при этом, однако, является, чтобы при работе на повышенных окружных скоростях шлифовального круга (60 V 250 м/с) скорости подачи также были большими (1000 S 10000 мм/мин). Такие режимы являются обязательными для реализации вышеупомянутых максимальных показателей производительности обработки. Большой объем снимаемого материала в весьма сжатые сроки - в этом заключается цель и получаемый на практике результат HSG-Technologie.

HSG-Technologie находит применение в самом обширном диапазоне обработки поверхностей металлической заготовки.

Рис. 4.5. Рабочие параметры обработки в поперечном направлении по HSG-Technologie.

4.2.2 Функциональная взаимосвязь между окружной скоростью шлифовального круга и основными рабочими параметрами

Если при обработке заготовки шлифованием модифицирована будет лишь окружная скорость шлифовального круга (рис. 4.6), то на основные рабочие параметры это будет сказываться следующим образом:

Усилия шлифования уменьшаются в соответствии с нарастающей окружной скоростью шлифовального круга;

шероховатость обрабатываемой поверхности заготовки улучшается в соответствии с нарастающей окружной скоростью шлифовального круга;

Износ у шлифовального круга уменьшается в соответствии с нарастающей окружной скоростью шлифовального круга;

Стойкость у шлифовального округа в логарифмическом масштабе повышается в соответствии с нарастающей окружной скоростью шлифовального круга.

Это означает, что качество обрабатываемой поверхности заготовки в значительной степени может быть повышено за счет повышения окружной скорости шлифовального круга, т. е. с уменьшением усилий шлифования улучшаются качественные параметры по размерам, профилям и чистоте обрабатываемых поверхностей заготовки. Далее повышением окружных скоростей шлифовального круга добивается и уменьшение износа шлифовального круга, увеличивая тем самым его показатели по стойкости.

Итак, при постоянном качестве обрабатываемых поверхностей заготовки время обработки сокращено в значительной степени.

Рис. 4.6. Влияние окружных скоростей шлифкруга на технологические параметры процесса шлифования.



Рис. 4.7. Влияние скорости шлифования на износ рабочих кромок шлифкруга.

4.3 Износ шлифовального круга

На рис. 4.7 продемонстрирована характеристика изнашивания шлифовального круга в зависимости от окружной скорости при наружном круглом врезном шлифовании. За критерий изнашивания в этом примере принималась стойкость рабочей кромки шлифовального круга. Диаграмма наглядно показывает, что размер износа рабочей кромки шлифовального круга уменьшается в соотношении с окружной скоростью шлифовального круга. Повышением окружной скорости с 20 на 90 м/с размер износа рабочей кромки шлифовального круга соответственно уменьшается с 0,24 до 0,03 мм². Сказанное здесь имеет силу также для остальных рабочих характеристик шлифовального круга, как, например, размер износа в радиальном направлении или же размер износа профиля у фасонных шлифовальных кругов.

4.4 Стойкость шлифовального круга

Поскольку размер износа шлифовального круга уменьшается в соответствии с нарастающей окружной скоростью стойкость его увеличивается. Практически для всех типов обрабатываемых материалов повышение окружной скорости шлифовального круга с 20 до 90 м/с означает реальное увеличение стойкости шлифовального круга в 100...1000 раз.

Относительные стойкостные характеристики шлифовального круга при обработке трудношлифуемых материалов те же как и у материалов, хорошо поддающихся шлифованию.

4.5 Температуры процесса шлифования

Определение возникающей при шлифовании температуры затрудняется из-за краткого времени и высокой частоты контактирования отдельных абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью заготовки. Многие годы специалисты во всем мире занимались вопросом определения температуры в рабочей зоне. В итоге, используя различные методы и режимы шлифования и, в частности, математический способ экстраполяции результатов измерений, был установлен диапазон фактических температур 60...1800 °С.

Разновидность методов определения температуры процесса шлифования находит свое отражение во множестве теоретических решений отвода образуемого при этом тепла. Некоторые специалисты считают, что обладающая часть тепла воспринимается заготовкой; другие же в экспериментальном порядке доказывают, что большая доля тепла отводится со стружкой в то время, как меньшая доля воспринимается заготовкой.

Для обоих вариантов, наверное, существуют научно обоснованные аргументы. Рассмотрев более детально теоретические начала этих высказываний становится ясно, что они действительны для разных режимов процесса шлифования. Несмотря на расхождение мнений специалистов по вопросам возникновения и распределения тепла процесса шлифования, о функциональном взаимоотношении между рабочими режимами и количеством тепла в рабочей зоне с учетом научных исследований, обобщая, можно сказать следующее:

Повышение производительности процесса шлифования и окружной скорости шлифовального круга в любом случае обуславливает интенсификацию процесса теплообразования.

При одновременном повышении и скорости подачи заготовки, однако, количество тепла уменьшается.

На первых этапах внедрения высокоскоростного метода шлифования почти исключительно повысили лишь окружную скорость шлифовального круга. Поскольку, однако, процессу шлифования сопутствовали термические проблемы, повышение окружных скоростей шлифовального круга было небольшим. Такое положение дел долгое время тормозило процесс широкого внедрения технологии высокоскоростного метода шлифования в металлообрабатывающую промышленность. Лишь в некоторых узкоспециализированных отраслях промышленности, как, например, на производстве режущего инструмента или же при шлифовании элементов подшипников качения, достоинства этой технологии были реализованы в полной мере. В этих областях промышленной деятельности высокоскоростной метод шлифования нашел применение именно потому, что помимо повышения окружной скорости шлифовального круга пропорционально или даже больше была повышена и скорость подачи заготовки. Здесь практически уже работали по HSG-Technologie, не обладая, однако, знанием о взаимодействующих параметрах процесса шлифования.

Ради лучшего понимания практических возможностей эксплуатации HSG-Technologie сначала рассмотрим некоторые основные принципы теплообразования процесса шлифования.

Рис. 4.8. Зоны образования кинематического тепла.

Рис. 4.9. Распределение температуры внутри стружки и заготовки.

4.5.1 Процесс теплообразования при шлифовании

Каждый раз, когда абразивное зерно вступает в контакт с обработанной поверхностью заготовки определенное количество тепла вводится в рабочую зону. При прохождении абразивного зерна через металл вдоль заданной траектории энергия резания преобразуется в энергию деформации и трения. Согласно рис. 4.8 энергия деформации является результатом действия энергии сдвига в зоне сдвига и энергии среза вдоль траектории режущей кромки. Энергия трения получена действием трения передних поверхностей и поверхностей износа. Энергии деформации и трения почти полностью преобразуются в тепло. Наивысшая температура при этом на передней поверхности абразивного инструмента. Тепло, однако, вследствие кратковременного контакта длительностью 1...100 мкс и высокой частоты операций врезания индивидуальных абразивных зерен в металл в заготовку не переходит дальше траектории режущей кромки зерна, что является объяснением эффекта почти стопроцентного отвода тепла стружкой.

Решающими для теплообразования в заготовке являются энергия сдвига, среза и трения на поверхности износа. На рис. 4.9 представлен возможный вариант распределения температуры как в стружке, так и в заготовке. Наибольшее количество введенного в заготовку тепла Т_max развивается в момент соприкосновения поверхности износа абразивного зерна с заготовкой и обозначено Т₁. Сразу же после момента контактирования имеет место выравнивание температурного потенциала с окружающей средой. В зоне соприкосновения шлифовального круга и обрабатываемой заготовки в результате быстрого чередования участвующих в процессе шлифования режущих кромок устанавливается средняя температура, которую в течение периода прошлифовывания определенного элемента заготовки условно можно принимать постоянной. Эта средняя температура является базовой для термической нагрузки краевых участков заготовки.

Рис. 4.10. Влияние окружной скорости заготовки на температуру в зоне резания.

Рис. 4.11. Причины для нагрузки краевых участков заготовки.

4.5.2 Влияние режимов шлифования на процесс образования тепла в заготовке

Эффект скорости подачи заготовки при круглом шлифовании на температуру в рабочей зоне представлен на рис. 4.10. При работе различными типами шлифовальных кругов и на различных окружных скоростях и при постоянной производительности съема материала определяется средняя температура. Повышение окружной скорости заготовки до около 40 м/мин при всех окружных скоростях шлифовального круга вызывает сильный спад температуры. Дальнейшее повышение окружной скорости заготовки, однако, не дает никаких заметных положительных эффектов.

Причиной для пониженной термической нагрузки при повышенной окружной скорости заготовки можно назвать следующее:

Повышением окружной скорости заготовки сокращается время воздействия отдельных источников тепла на находящийся в зоне контактирования сегмент заготовки (рис. 4.11). Распространяющееся с зон сдвига и деформации в заготовку тепло проникнуть поглубже в заготовку уже не может, ибо большая часть тепла отводится со снимаемой последующими режущими кромками стружкой. Лишь тепло трения на поверхности износа абразивных зерен большей частью переходит в заготовку.

Образующееся на передней поверхности абразивных зерен, а также у связочного материала шлифовального круга тепло в стружку распространяется перпендикулярно к направлению резания. Это дает достаточную основу предполагать, что с повышением окружной скорости шлифовального круга увеличивается и отведенное со стружкой количество тепла, полученного на передней поверхности абразивных зерен. Этим и объясняется, что при работе на больших окружных скоростях заготовки большая скорость шлифования вызывает пониженные температуры.

Исходя из вышеизложенного для применения на практике HSG-Technologie можно сделать следующие выводы:

При работе на постоянных окружных скоростях шлифовального круга повышение производительности выше принятого ныне для технологии шлифования диапазона черновой обработки вызывает повышенную термическую нагрузку краевых участков обрабатываемой заготовки.

Повышением окружных скоростей шлифовального круга, не увеличивая при этом производительность, также вызывается нарастание температуры, которое, однако, по отношению к повышенной производительности, весьма незначительное.

С целью предотвращения изменения структуры материала в краевых участках заготовки при повышении окружных скоростей шлифовального круга и, в частности, при повышении производительности, должна увеличиваться также и окружная скорость заготовки.

Если, однако, повышают как окружную скорость шлифовального круга, так и скорость заготовки, то производительность, не создавая никакой нагрузки краевых участков заготовки, может увеличиваться почти бесконечно.

Этим повторно подтверждаются характерные характеристики HSG-Technologie: высокая производительность при больших скоростях подачи и окружных скоростях шлифовального круга.

4.6 СОТС

С появлением HSG-Technologie, а также шлифовальных кругов типа CBN жестче стали и предъявляемые к техническим характеристикам СОТС требования. Поэтому все существующие ныне на рынке типы СОТС были подвергнуты всесторонним испытаниям. Немало испытаний было проведено с целью сравнения рабочих характеристик полностью синтетических эмульсий или эмульсий, содержащих минеральное масло, с чистыми минеральными маслами, содержащими присадки для улучшения характеристик СОТС в условиях высокого давления (присадки типа ЕР). В настоящее время для шлифования применяются в основном 3 типа СОТС, сравниваемых друг с другом:

а) полностью синтетический раствор;