CC BY
103
УДК 621.9.02
Технологические методы управления качеством в производстве деталей с глубокими отверстиями
И. Ф. Звонцов, К. М. Иванов, П. П. Серебреницкий, Д. А. Пономарев, И. В. Говорун
Предложены физические модели прогрессивного формообразования глубоких точных отверстий в широком диапазоне типоразмеров и номенклатуры выпускаемых изделий в виде труб, цилиндров, плунжеров, валов и тел вращения. Показана возможность поддержания оптимальных (заданных) условий обработки на протяжении всего цикла, несмотря на значительные протяженности длины обработки во временном интервале, т. е. реализация процессов в рамках достаточной надежности как по качеству изготовления, так и по производительности труда без введения систем активного управления. Процессы построены на базе конверсионных технологий специального машиностроения с обеспечением быстрой и экономичной технологической подготовки существующего производства.
Ключевые слова: управление качеством, глубокие отверстия, сплошное и кольцевое сверление, предварительное и чистовое растачивание, электрохимическое алмазное хонингование.
Обеспечение точности
Детали с глубокими отверстиями (глубокими считаются отверстия, отношение глубины которых к диаметру более 5) являются сложными объектами производства прежде всего потому, что параметры (характеристики) полученных отверстий, в ряде случаев почти полностью глубоких отверстий, определяют технические данные объекта, где эти детали применяются. Основными требованиями к таким деталям (отверстиям) принято считать следующие:
• заданная диаметральная точность по всей глубине отверстия;
• заданная шероховатость по всей глубине отверстия;
• параметры и характеристики поверхностного слоя полученного отверстия;
• искривление оси (отклонение от прямолинейности) отверстия в пределах заданного;
• положение оси отверстия на выходе из детали (обычно определяется углом между касательной и действительной осями отверстия как дульный угол);
• разностенность по всей длине детали, определяемой разностью толщин между на-
ружной поверхностью отверстия и наружной поверхностью детали — вала.
Технологическая система, при использовании которой формируется глубокое отверстие в заготовке, весьма сложная и многообразная, меняющая свои характеристики и параметры, например жесткость системы СПИД (станок — приспособление — инструмент — деталь), в процессе выполнения одной операции, отклонения в работе инструмента, отклонения в режимах обработки и др. Погрешности оборудования и технологической оснастки естественно переносятся на параметры и погрешности глубокого отверстия на различных стадиях обработки.
Практически невозможно решить аналитически задачу правильного выбора оптимального технологического процесса. Рассмотрим факторы, влияющие на характеристики получаемого глубокого отверстия более подробно.
Задача обеспечения точности глубокого отверстия (ГО) может решаться по следующим направлениям:
• повышение точности используемого оборудования и технологической оснастки;
• повышение качества заготовок (обеспечение однородности материала по физико-ме-
ханическим свойствам, обеспечение прямолинейности заготовки и отверстия, особенно, если оно предусмотрено или получено в заготовке; снижение остаточных внутренних напряжений в заготовке, подготовка качественных технологических баз для установки и закрепления заготовки на станке);
• обеспечение надежного базирования режущего или формообразующего инструмента относительно станка, чтобы это положение не изменялось в процессе выполнения операции или поддерживалось с каким-то изменением, отвечающем повышению точности глубокого отверстия (поддержание соосности инструмента со шпинделем и направляющими устройствами станка, например маслоприемника, в начале обработки);
• применение многорезцового теоретически уравновешенного режущего инструмента, в основном двухрезцового, работающего по методу деления толщины среза;
• уменьшение износа резца и направляющих элементов инструмента;
• применение управляющих процессов сверления, предварительного и чистового растачивания.
Для операций предварительного растачивания этим требованиям наилучшим образом отвечает инструмент с двухрезцовым блоком, работающим по методу деления толщины среза (способ распределения нагрузки между резцами) и базирующимся с помощью четырех твердосплавных направляющих пластин, раздвигаемых от центрального конусного валика посредством втулочно-прорезной пружины [1].
Аналогичная конструкция раздвижения и применения направляющих приемлема и для чистового растачивания ГО с использованием в качестве режущего инструмента плавающей пластины при растачивании на растяжение стебля [1].
Схемы работы на сжатие и растяжение определяются воздействием на стебель продольной составляющей усилия резания — сжатие стебля или его растяжение [1].
Уменьшение износа направляющих при чистовом растачивании глубоких отверстий на сжатие решается применением вращающихся направляющих, когда перемещение их по поверхности отверстия заготовки снижается в десятки тысяч раз по сравнению с приме-
нением в конструкциях невращающихся направляющих.
На операциях сплошного или кольцевого сверления рекомендуется двухрезцовая, теоретически уравновешенная сверлильная головка (рис. 1), работающая по методу деления толщины среза [2].
Твердосплавные элементы направляющих позволяют обеспечить в процессе обработки как высокую прямолинейность отверстия, так и его высокую диаметральную точность.
При использовании наружного подвода СОЖ и непрерывном натяге направляющих при их контакте с обрабатываемой поверхностью происходит выглаживание поверхности заготовки, а следовательно, снижается шероховатость поверхности.
Направляющие головки служат также демпфирующим устройством, поэтому они обладают высокой виброустойчивостью. Приме -нение метода деления толщины среза между резцами позволяет вести обработку с подачами, в 2-3 раза большими по сравнению с головками, работающими по методу деления ширины среза. Теоретическая уравновешенность головки и наличие натяга по направляющим дает возможность формировать прямолинейное отверстие высокой точности.
Особенность процессов и операций обработки глубоких отверстий — это значительная протяженность пути формообразующего инструмента. Так, при сплошном сверлении отверстия диаметром 10 мм с подачей 0,005 мм/об или отверстия диаметром 20 мм с подачей 0,01 мм/об в заготовках длиной 6000 мм длина пути резания составляет порядка 38 км. При предварительном растачивании отверстия двухрезцовым блоком, работающим с делением толщины среза, диаметром 100 мм с подачей 1 мм/об в заготовке длиной 6000 мм длина пути резания будет около 1,9 км, т. е. в том и другом приведенных случаях длина резания измеряется в километрах. В первом случае длина пути резания приближается к концу зоны нормального износа, за которым следует зона катастрофического износа. При таких длинах пути резания происходит естественный износ как режущих элементов, так и элементов направляющих устройств инструмента, изменяются состояние и характеристики технологической системы, снижает-
125
Рис. 1. Унифицированная головка для кольцевого сверления глубоких отверстий:
1 — направляющая; 2 — клин; 3 — магнитный вкладыш; 4 — втулочно-прорезная пружина; 5 — корпус; 6 — компенсационные шайбы; 7 — твердосплавная четырехгранная пластина; 8 — подложка; 9 — винт; 10 — стебель; 11 — поводковый винт
ся точность процессов обработки, требуется введение управления точностью процесса обработки. Управление точностью без введения и использования систем адаптивного управления осуществляется на операциях сверления, растачивания, раскатывания, хонингования и технологическими методами.
Управление производится по следующим направлениям: управление по выходным данным; управление по входным данным; управление в процессе обработки.
Управление по выходным данным связано с поднастройкой технологической системы. Поднастройкой называется процесс восстановления первоначальной точности взаимного расположения инструмента и обрабатываемой заготовки, нарушенного в процессе обработки партии заготовок. При обработке ГО в большинстве случаев речь не идет о партии обрабатываемых заготовок, а только об одной заготовке.
На операциях сверления и растачивания необходимо следить за износом режущих элементов, степенью их затупления, определять износ направляющих элементов инструмента,
следить за размером и качеством поверхности отверстия, получаемых в процессе обработки. В зависимости от характера выявленных отклонений потребуется либо смена режущих и направляющих элементов, либо регулирование размера по направляющим, по рабочим поверхностям роликов раскатных головок, по размерам резцовых блоков и плавающих пластин с последующей их заточкой для обеспечения требуемой геометрии инструмента.
На операциях хонингования также возможны замены как абразивных брусков, так и направляющих элементов хонинговальных головок.
Управление точностью процесса обработки ГО можно проводить и по входным данным. Наибольшее влияние на изменение размеров оказывает колебание таких входных данных, как размеры припуска и твердость (а также разнообрабатываемость) материала заготовок, обусловливающих соответствующее возрастание диапазона изменения усилий резания и вызываемых ими упругих деформаций. Задача решается путем непосредственного изменения размеров и твердости заготовок с по-
IЕ ТАП Л 00 Б РА Б0 Т КД
следующей сортировкой их на группы и внесения необходимых поправок в размер статической настройки технологической системы.
Частичное управление точностью обработки ГО возможно и в процессе операций сверления, растачивания, раскатывания, хонин-гования и связано с изменением режимов обработки и подачи СОЖ.
Затупление режущего инструмента при сверлении и растачивании приводит к возрастанию осевого усилия и крутящего момента, который фиксируется на пульте управления. При этом изменяется форма стружки, отводящаяся из зоны резания. При наличии системы бесступенчатого регулирования подачи необходимо уменьшить подачу для поддержания настроенных силовых параметров. Это снижение подачи вызовет изменение формы стружки, которое потребует увеличить режимы подачи СОЖ (расхода и давления). Износ направляющих элементов, при отсутствии износа режущих элементов, приводит к снижению усилий на направляющих, когда имеет место принудительное (от пружины) их раздвижение. Снижение усилия на направляющих вызывает ухудшение базирования инструмента и уменьшение точности обработки. Регулирование усилия на направляющих возможно при введении в инструмент системы управления, но это уже относится к системам управляемой обработки.
В рассмотренных конструкциях сверлильного и расточного инструмента такое регулирование при обработке одной заготовки можно не проводить, так как износ режущей части приводит к уменьшению диаметра отверстия заготовки, которое в какой-то части компенсирует износ направляющих.
При снижении усилий резания при хонин-говании, связанном с переходом в процессе обработки из этапа резания в этап полирования, и не полностью снятом припуске увеличивают давление брусков в головке с помощью регулятора давления масла, подаваемого в гидроцилиндр механизма раздвижения брусков. При этом увеличиваются осевое усилие на клине, давление брусков и возобновляется этап абразивного резания. Мероприятия эти выполняются на операции размерного хонин-гования, когда удаляется основной припуск и обеспечивается требуемый диаметр отверстия. На операции отделочного хонингования
такие действия не проводятся, так как это может увеличить шероховатость поверхности выше требуемой по техническим условиям на готовое изделие. Таков комплекс технологических мероприятий, позволяющий управлять точностью обработки глубоких отверстий.
Формирование микро- и макрогеометрии
поверхности обработанных отверстий
Качество поверхности глубокого отверстия в заготовке и готовой детали определяется геометрическими и физико-химическими характеристиками. К геометрическим характеристикам относятся: отклонения формы (макрогеометрия), волнистость, шероховатость поверхности (микрогеометрия), субмикроше-роховатость. Критерием для их разграничения служат отношение шага S к высоте неровностей R (рис. 2). Для макронеровностей (отклонение формы) отклонение S/R > 1000; для волнистости S/R = 50...1000; для микронеровностей S/R < 50. Численные характеристики субмикроскопического рельефа при оценке качества не учитывают и пока не нормируют.
В реальных поверхностях ГО наиболее часто имеет место комбинация геометрических характеристик (рис. 3), включающая одновременно отклонения формы, волнистость и шероховатость и др. [5, 13].
Волнистость
Рис. 2. Геометрические параметры поверхностного слоя
Рис. 3. Реальная поверхность, имеющая шероховатость, волнистость и отклонение формы
Таблица 1
Геометрические характеристики поверхности глубоких отверстий в зависимости от методов обработки
Метод обработки Точность обработки (квалитет) Отклонения формы, мкм Шероховатость поверхности Ва, мкм
Сверление 13-11 250-100 25-12,5
Зенкерование 11-10 100-30 12,5-6,3
Растачивание: предварительное чистовое 9-8 8-7 30-20 20-15 3,2-1,6 1,25-0,63
Раскатывание инструментом: жестким упругим 7-6 8-7 15-10 20-15 0,16-0,32 0,16-0,10
Алмазное хонингование: размерное отделочное 8-7 6-5 20-10 10-5 0,32-0,16 0,10-0,08
Алмазное электрохимическое хонингование 7-6 10-5 0,16-0,10
Гальваномеханическое алмазное хонингование 7-6 10-5 0,16-0,10
Дорнование(калибрование) 7-6 10-5 0,32-0,16
Алмазное выглаживание 6-5 8-4 0,16-0,10
Полирование Сохраняется от предшествующей обработки 4-3 0,10-0,08
Суперфиниширование 3-2 0,08-0,04
Доводка 2-1,5 0,02-0,01
Поверхность глубокого отверстия формируется с непрерывным изменением (уменьшением) погрешностей геометрической формы (макрогеометрия и волнистость) отверстия и с уменьшением (увеличением) степени шероховатости поверхности.
Макрогеометрия интенсивнее всего улучшается на операциях предварительного и чистового растачивания. Хорошо исправляются погрешности на операции размерного алмазного хонингования или электрохимического алмазного хонингования, раскатывания.
Макрогеометрия поверхности ГО формируется на операциях отделочного алмазного хонингования, опять же электрохимического алмазного хонингования, раскатывания, алмазного выглаживания. При нанесении покрытия гальваническим методом необходимо тщательно готовить поверхность, обеспечив шероховатость поверхности отверстия Яа = 0,16...0,32 мкм.
Для операций гальванохимического алмазного хонингования достаточна исходная шероховатость с Яа = 4.5 мкм, что обеспечивает лучшую сцепляемость покрытия с основой заготовки. После нанесения покрытия произво-
дится отделочное алмазное хонингование или полирование. Экономически достижимые параметры геометрической характеристики поверхности ГО в зависимости от методов обработки даны в табл. 1.
Обеспечение физико-механических
параметров
Физико-механические параметры поверхности глубокого отверстия входят в группу качества поверхности, определяющую ее физико-химические характеристики. Физико-химические характеристики включают: микроструктуру, микротвердость, поверхностные напряжения, химический состав, электродный потенциал, адгезионные, электрические, магнитные, оптические и другие характеристики.
Физико-химические характеристики поверхностного слоя ГО определяются свойствами металла и методами его обработки. Под поверхностным слоем понимается слой материала, отличающийся по свойствам от материала сердцевины заготовки, т. е. от ее
основы. Изменение видов и режимов механической обработки оказывает воздействие на отдельные характеристики состояния поверхностного слоя, а соответственно и на эксплуатационные свойства деталей. В этом смысле уместно говорить о существовании технологической наследственности состояния поверхностного слоя и определяемых им эксплуатационных свойствах деталей с глубокими отверстиями от отдельных технологических операций и всего технологического процесса их изготовления.
Технологической наследственностью называется перенесение на готовое изделие в процессе его обработки погрешностей, механических и физико-химических свойств исходной заготовки или свойств и погрешностей, сформированных у заготовки на отдельных операциях изготовления изделия. Проявление технологической наследственности может привести как к улучшению, так и к ухудшению эксплуатационных свойств деталей с глубокими отверстиями. Для целесообразного использования технологической наследственности необходимо установить непосредственные связи между эксплуатационными характеристиками деталей (усталостной прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, прочностью соединений сопряженных пар и др.) и режимами обработки заготовок при основных методах их изготовления.
Во многих случаях такие связи можно выявить с помощью математических зависимостей вида: состояние поверхностного слоя — функция режима резания, эксплуатационная характеристика — функция состояния поверхностного слоя с их последующим совместным решением и установлением прямой связи (эксплуатационная характеристика — функция режима обработки). Последнюю зависимость можно непосредственно использовать для расчетов режимов резания, обеспечивающих достижение заданных эксплуатационных характеристик.
В некоторых случаях установление математических зависимостей таких режимов обработки, как характеристика состояния поверхностного слоя — эксплуатационные свойства, осложняется тем, что изменение режима обработки может одновременно вызывать улучшение эксплуатационных свойств
и их ухудшение (например, увеличение высоты неровностей и повышение степени наклепа). В подобных случаях зависимости эксплуатационных свойств от режимов резания приобретают экстремальный характер, определяя оптимальные режимы обработки наименьшими (для износа) или наивысшими (для усталостной прочности) значениями эксплуатационных свойств.
Для использования технологической наследственности (в целях повышения долговечности деталей или улучшения других эксплуатационных характеристик путем назначения рациональных видов и режимов обработки заготовок) необходимо экспериментально устанавливать прямые зависимости между отдельными эксплуатационными характеристиками и режимами или видами их обработки.
Однако необходимо подчеркнуть, что нахождение подобных зависимостей, особенно их математическая обработка и обобщение, требует тщательного изучения физической сущности явлений, сопровождающих этот вид обработки, и закономерностей изменения при разных условиях выполнения технологической операции. На основании такого анализа во всех случаях следует определять границы, в пределах которых установленные математические зависимости остаются справедливыми.
Подобные зависимости для режимов резания, при которых изменяется сущность явлений, происходящих в металле поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, а следовательно, и его состояние, могут стать неправильными, и при их использовании возникают большие ошибки.
При обработке глубоких отверстий формирование физико-химических характеристик поверхностного слоя производится в основном на завершающих стадиях обработки. Деформационное упрочнение (наклеп), которое происходит при лезвийной обработке и при воздействии твердосплавных направляющих элементов инструмента на обработанную и обрабатываемую поверхности заготовки, устраняется при чередовании выполняемых операций технологического процесса. Требуемые характеристики поверхностного слоя обеспечиваются за счет либо термической обработки, либо химико-термической, либо методами пластического деформирова-
Таблица 2
Физико-механические свойства поверхностного слоя глубоких отверстий в зависимости от метода обработки
Метод обработки Степень наклепа, % Глубина наклепа, мкм, не более
Сверление 60-70 180-200
Зенкерование 60-70 180-200
Растачивание: предварительное чистовое 20-50 40-80 30-50 20-60
Раскатывание: жесткое упругое 20-50 20-50 15 000 5000
Алмазное хонингование: размерное отделочное 20-30 10-15 20-40 10-20
Электрохимическое алмазное хонингование 10-15 5-15
Дорнование 40-50 5000
Калибрование 20-40 5000
Алмазное выглаживание 20-25 1000
ния, либо нанесением твердосплавных покрытий, напылением металла.
Для изделий с глубокими отверстиями наиболее приемлемыми являются методы обработки, включающие термическую, химико-термическую (цементация, азотирование) обработку, хромирование, раскатывание и выглаживание. Значения параметров поверхностного слоя приведены в табл. 2.
На операциях сверления, предварительного растачивания при использовании твердосплавных направляющих элементов в конструкциях инструмента возникает наклеп поверхностного слоя от действия направляющих на обрабатываемую поверхность глубиной 500-800 мкм. Это необходимо учитывать при построении технологии финишной обработки, особенно с применением методов пластического деформирования, чтобы не допустить перенаклепа обработанной поверхности и шелушения поверхностного слоя (шершавость поверхности после обработки).
Оптимизация технологических маршрутов при обработке труб и цилиндров
Оптимизацию технологических маршрутов обработки труб и цилиндров следует прово-
дить исходя из вида заготовки, требований к поверхности глубокого отверстия по точности и микротвердости, т. е. заготовка подвергается термообработке или обрабатывается полностью сырой (нетермообработанной), и на основе прогрессивных методов обработки.
На маршрут обработки оказывают влияние тип производства и материал обрабатываемой заготовки. Последние два фактора при разработке маршрутов пока исключим, так как они в какой-то степени будут учитываться вышеприведенными требованиями.
Рассмотрим обработку заготовок в виде проката стального горячекатаного круглого по ГОСТ 2590-88.
Сортамент диаметров: 10, 12, 14, 16, 20, 24, 30, 32, 36, 38, 40, 45, 50, 56, 60, 65, 70, 75, 80, 90, 95, 100, 110, 120, 130, 150, 170, 180, 200, 250 мм. Точность прокатки — обычная — В, категория для холодной механической обработки — б, состояние поверхности — без термообработки.
Марки углеродистой качественной конструкционной стали по ГОСТ 1050-74: сталь 20, 25, 40, 45; обозначение: 50 - В ГОСТ 2590 - 88 круг 45 - б ГОСТ 1050 - 74 .
Марки легированной конструкционной стали по ГОСТ 4543-71: сталь 20Х, 35Х, 40Х, 38Х2МЮН, 35ХМ, 30ХМА, 12Х2А, 20Х2Н4А,
20ХГСА, 30ХГСА, 38Х2Н2МА, 40ХН2МА, 45ХН2МФА.
Сортамент диаметров: 10, 12, 14, 16, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 40, 45, 50, 52, 56, 60, 62, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 200, 210, 250 мм.
Обозначение аналогично приведенному вы: 100-В ГОСТ 2590-88 ше: круг 30 хГСА-б ГОСТ 4543-71 .
Марки сортовой и калиброванной коррозионно-стойкой, жаростойкой и жаропрочной стали по ГОСТ 5949-75: сталь 20Х13, 30Х13, 40Х13, 14Х17Н2, 08Х18Н10Т.
Сортамент диаметров: 10, 12, 14, 16, 20, 22, 24, 30, 34, 36, 38, 40, 45, 50, 52, 55, 56, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 110, 115, 120, 130, 140, 150, 160, 180, 200, 250 мм.
Обозначение коррозионной стали: 100-В ГОСТ 2590-88 круг 30 Х18Н10Т-б ГОСТ 5949 - 75 .
Длину заготовки выбирают в зависимости от длины готовой детали.
Технологический маршрут обработки термо-обработанной заготовки включает операции:
• отрезную (на одну заготовку или на несколько штук, с их последующей разрезкой; последний способ весьма эффективен в отношении повышения производительности обработки, выполняется на абразивно-отрезных или фрезерно-отрезных станках);
• правильную; оборудование — прессы, например пресс И5526, или правильно-калибровочные машины;
• термическую обработку (для снятия внутренних напряжений — нормализацию, отжиг, отпуск и т. п.); при отсутствии операции правки термическая обработка может не проводиться;
• токарную (подготовку технологических баз, подрезку торцов);
• сверлильную (сплошное или кольцевое сверление в зависимости от диаметра отверстия);
• предварительное растачивание;
• токарную (завершение формообразования наружных поверхностей);
• чистовое растачивание;
• алмазное или предварительное и чистовое растачивание, предварительное и чистовое растачивание глубокого отверстия.
Если на поверхность ГО требуется нанести покрытие, то обработка ведется по схеме как для нетермообработанной заготовки. Покрытие наносят после операции раскатывания. Затем выполняют операцию алмазного или электрохимического алмазного хонинго-вания. При наличии необходимого оборудования можно наносить покрытие после раскатывания отверстия, выполнив гальваномеханическое алмазное хонингование.
Если в заготовке требуется произвести азотирование глубокого отверстия, то его выполняют после чистового растачивания. Предварительно с одного края заготовки, нужно просверлить радиальное отверстие диаметром 15-20 мм — место для подвешивания заготовки в вертикальном положении при азотировании в шахтных печах. Может быть применен и более прогрессивный процесс азотирования, например, ионное азотирование. После азотирования отверстие обрабатывается методом алмазного или электрохимического алмазного хонингования.
При обработке отверстий малых диаметров (8, 10, 12, 14, 16, 19, 20, 22, 25 мм) технологический маршрут содержит следующие операции: отрезную, правильную, токарную, сверлильную, зенкерование и развертывание или растачивание плавающей пластиной, а затем алмазное хонингование или дорнование; завершающей операцией может быть полирование или доводка (притирка). В качестве заготовок могут использоваться и круглые, горячедеформированные трубы, например стальные бесшовные горячедеформирован-ные трубы.
Сортамент по ГОСТ 8732-78; технические требования по ГОСТ 8731-87; группа качества В — с нормированием механических свойств и химического состава; группа Б — с нормированием только химического состава. Марки стали: сталь 10, 20, 35, 45, 20Х, 40Х, 30ХГСА, 09Г2С группы В и сталь 35Х, 30ХМА группы Б.
Размеры поперечного сечения трубы задаются наружным диаметром Б и толщиной стенки 8.
Типоразмеры труб: Б = 57 (8 = 5, 7, 10); 60 (4, 5, 6, 14); 68 (7, 14); 70 (6, 8, 10, 12); 76 (5, 6, 12); 83 (4, 5, 10, 16); 89 (4, 10, 15, 20, 24); 95 (18, 20); 102 (4, 5; 5, 6, 10, 12, 14, 24); 108
(4, 14, 15, 20, 22, 25, 28); 114 (8, 10, 12, 18, 22); 121 (8, 14, 22, 28); 127 (10, 12, 16); 133 (18, 30); 140 (6, 8, 12, 28, 32, 36); 146 (12, 25); 152 (12, 20, 36); 159 (4,5; 12, 14, 24, 28, 35); 168 (6, 16, 20, 28, 30, 36); 180 (15, 20, 25, 30, 36, 40); 194 (20, 22); 203 (22); 219 (7, 16, 24, 32, 35, 40); 245 (20, 36); 273 (14, 40); 299 (36).
Обозначение трубы диаметром Б = 114 мм, с толщиной стенки 10 мм из стали 35:
б 114 х 10 ГОСТ 8732-78 тру а В35 ГОСТ 8731-87 .
Трубы из стали 40ХН1М ГОСТ В5192-78 с Б = 89 (22); 95 (20): обозначение: труба 89 х 22 ГОСТ 8732-78
40 ХН1М-ГОСТ В5192-78 '
Применение этих труб в качестве заготовок позволяет повысить экономию материала, снижает трудоемкость изготовления глубокого отверстия, так как в технологических маршрутах исключается наиболее трудоемкая операция — глубокое сверление. В остальном оптимальные технологии реализуются при обработке ГО по вышеприведенным схемам.
Оптимальные технологии обработки
толстостенных цилиндров
К толстостенным цилиндрам будем относить изделия с толщиной стенки 25-50 мм и более, длиной от 500 до 18 000 мм.
Наиболее прогрессивным методом получения заготовок для толстостенных цилиндров в условиях серийного производства является горячая радиальная ковка, позволяющая в наибольшей степени приблизить заготовку к готовой детали с обеспечением высокого значения коэффициента использования материала, доходящего порой до 0,5-0,6, иногда до 0,8.
Сущность радиальной ковки заключается в том, что заготовка в процессе подачи и вращения (для поковок круглого сечения) относительно оси симметрии подвергается обжатию байками, расположенными в одной плоскости и действующими синхронно с большой частотой ударов (4-5 ударов). Заготовки квадратного и прямоугольного сечений при ковке фиксируются своими гранями относительно бойков.
Особенностями радиальной ковки являются равномерное распределение нагрузки по периметру сечения заготовки и пульсирующий характер ее приложения. Такая схема деформации исключает возникновение радиальных растягивающих напряжений, имеющих место при свободной ковке, и уменьшает опасность появления трещин на поверхности обрабатываемого металла. Пульсирующее приложение усилий, по сравнению с непрерывным напряжением, позволяет увеличить пластичность труднодеформируемых материалов.
Высокая точность обработки, минимальные припуски под механическую обработку, сокращение машинного времени ковки, автоматизация управления процессом, обеспечивающая стабильность и повторяемость технологии — основные достоинства радиально-ко-вочных машин.
Горячая радиальная ковка на радиально-ко-вочных машинах позволяет получать поковки с наружным диаметром от 40 до 700 мм, внутренним диаметром от 40 до 530 мм и длиной от 500 до 18000 мм (табл. 3, 4). Соотношение размеров наибольшего и наименьшего наружных и внутренних диаметров получаемой поковки должно составлять не более 2 : 1.
Поле допуска на диаметральные размеры составляет: по внутреннему диаметру — 1 %, по наружному диаметру — 1,5 % от получаемых размеров. Поле допуска по длине для отдельных участков поковки зависит от типа РКМ, наличия программно-числового управления и составляет 0,3-0,5 % от получаемого размера. Относительная разностенность радиально-кованых поковок практически соответствует относительной разностенности исходных заготовок. Минимальная абсолютная разностенность зависит от равномерности нагрева заготовки под ковку и при обычном качестве нагрева с перепадом температуры по сечению ±30° имеет величину 2-5 % от толщины стенки поковки.
Отклонение от прямолинейности поковок после РКМ составляет 1-2 мм на погонный метр в зависимости от типа машины, а также габаритных размеров и профиля заготовки.
Из моделей радиально-ковочных машин можно отметить российскую машину производства ООО «Радиал Про» и австрийские РКМ фирмы ОЕМ.
IЕ ТА Л Л 00 Б РА Б0 Т КД
Таблица 3
Характерные формы наружных поверхностей заготовок, получаемых методом горячей радиальной ковки
Заготовки
Профиль наружной поверхности
Гладкие круглого, квадратного и прямоугольного сечений
Круглого сечения с одним или несколькими уступами
Круглого сечения с одним или несколькими выступами
Круглого сечения с одной или несколькими выемками
Круглого сечения с сочетанием цилиндрических и конических поверхностей
Таблица 4
Характерные формы внутренних поверхностей заготовок, получаемых методом горячей радиальной ковки
Заготовки
Профиль внутренней поверхности
Постоянного сечения, получаемые на неподвижной оправке
Переменного сечения с одним уступом, получаемые на одной неподвижной или двух подвижных оправках
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
МЕ^ПОО^М^ТК^
Продолжение табл. 4
Заготовки
Профиль внутренней поверхности
Переменного сечения с несколькими уступами, получаемые на двух подвижных оправках
С постоянной конусностью, получаемые на одной или двух подвижных оправках
Типовой маршрутный технологический процесс обработки толстостенных цилиндров
В общем случае процесс обработки разбивается на три этапа: механическая обработка до термической обработки, термическая обработка и последующая механическая обработка.
На первом этапе выполняются токарная наружная обработка и предварительное формирование глубокого отверстия. Базирование осуществляется по наружной поверхности заготовки.
Токарная обработка включает образование поверхностей (шеек) под люнеты, подрезку торцов, отрезку дисков для контроля характеристик металла, наружное обтачивание. Операции выполняются на специальных токарно-отрезных станках РТ650.01, РТ650, КЖ-1692, а также на токарно-обдирочных многосуппортных станках РТ504.04, РТ646, РТ646.01, КЖ16154.
В качестве приспособлений используются четырехкулачковые патроны (и с большим количеством кулачков), роликовые и кольцевые люнеты, кулачковые планшайбы с центровыми отверстиями, центры, устанавливаемые в задней бабке станков.
Глубокое отверстие формируется с помощью сплошного или кольцевого сверления (для сплошных заготовок) или предваритель-
ного растачивания. Базирование осуществляется по наружной поверхности заготовки.
Кроме указанной выше оснастки, дополнительно могут применяться открытые и стеблевые люнеты, маслоприемники и струж-косборники.
В качестве оборудования используются специальные горизонтальные сверлильно-рас-точные станки РТ602.06, РТ401.00, РТ401-21, РТ402, РТ402.06, горизонтально-расточные станки РТ602-05, РТ401.20, РТ401.22, РТ403, РТ403.06.
Термическая обработка заготовок выполняется или с использованием шахтных печей, или более прогрессивным способом с применением установок ТПЧ (использование токов промышленной частоты).
При первом способе заготовка нагревается и закаливается в вертикальном положении. При втором способе обработка ведется в горизонтальном положении заготовки с использованием нагревательных индукторов, закалочных устройств и индукторов для отпуска заготовок.
Термическая обработка на обеспечение физико-механических характеристик материала включает в общем случае нормализацию, закалку и отпуск.
Третий этап обработки начинается с наружной токарной обработки, включающей правку шеек, отрезку образцов для испытаний, фор-
мирование наружной поверхности. Конические поверхности заготовки образуют включением поперечной и продольной подач резцов или используют токарные станки с программным управлением. Применяют те же приспособления, что и на первом этапе обработки.
Оборудованием для токарной обработки служат специальные токарно-винторезные двух-суппортные станки РТ648 и РТ648.01, специальные тяжелые токарно-винторезные трех-суппортные станки КЖ-16134.01 (1А660.61), 1А681 или специальные токарные двухсуп-портные станки с числовым программным управлением РТ711Ф3.
На следующей операции выполняется предварительное растачивание глубокого отверстия. При низком качестве операций растачивания или при малой жесткости заготовки применяется двукратное предварительное растачивание с промежуточной дополнительной обточкой.
Для растачивания применяются в основном четырехкулачковые патроны, кольцевые люнеты с двумя четырехкулачковыми планшайбами, роликовые люнеты, направляющие устройства со сменными втулками под расточные головки и стружкосборники.
Оборудованием служат специальные горизонтально-расточные станки РТ602.05, РТ401.20, РТ401.22, РТ403, РТ403.06, РТ402 и др.
Последняя операция предварительного растачивания обычно совмещается с чистовым растачиванием, выполняемым специальными головками с помощью плавающих пластин.
Далее выполняется алмазное, размерное и отделочное хонингование глубокого отверстия, для этого используются горизонтально-хонинговальные станки РТ620, РТ621, РТ622.
Завершающей операцией является чистовая обработка наружной поверхности, выполняется или тонким точением, или наружным круглым шлифованием. Оборудованием для шлифования может служить, например, кру-глошлифовальный станок ХШ5-16.
После обработки заготовки производится контроль ее параметров и при необходимости составляется технический паспорт на изделие.
В предложенном типовом маршруте обработки глубокого отверстия не задействованы операции раскатывания, выглаживания, ка-
либрования, электрохимического алмазного хонингования, гальваномеханического алмазного хонингования, которые при наличии соответствующего оборудования и инструмента могут быть с успехом включены в состав технологического процесса обработки.
Экономическая эффективность
технологии обработки глубоких
отверстий
Экономическая эффективность — отношение между получаемыми результатами производства — продукцией и материальными услугами — и затратами труда и средств производства.
Выбор наилучшего варианта технологического процесса из всех возможных может быть осуществлен различными способами. Если из всех возможных вариантов имеется такой, на внедрение которого требуются наименьшие удельные капиталовложения и который обеспечивает самую низкую себестоимость единицы продукции, этот вариант является наилучшим. Однако на практике чаще варианты с большими удельными капитальными вложениями обеспечивают при внедрении меньшую себестоимость единицы продукции. В этих случаях технологический вариант определяется с помощью нормативного коэффициента эффективности или приведенных затрат [3].
При определении рациональности замены действующего варианта технологии обработки глубоких отверстий новым рассчитывают коэффициент сравнительной эффективности
Е = С1-С2.
С2 - С1
Этот коэффициент представляет собой соотношение разности себестоимости годового выпуска продукции к разности капитальных вложений сравниваемых вариантов.
В том случае, если Е > Ен (Ен — нормативный коэффициент эффективности, Ен = 0,15), эффективнее новый вариант, заменяющий действующий. При Е < Ен выгоднее действующий вариант.
Примем, что действующий вариант технологии обработки глубоких отверстий имеет
показатели С1 и К1. Новый вариант технологии — С2 и К2 Причем С2 < С1, а К2 < К1. Выразим К2 как:
К2 = К1 + ДК,
где ДК — дополнительные капитальные вложения для реализации нового варианта технологии обработки ГО.
При проектировании операции обработки ГО наиболее полным критерием оптимальности является оценочная функция, подсчитанная через штучное время:
*о + ^в + ^т + ^орг + ^п,
где £о — основное (технологическое) время; £в — вспомогательное время; £т — время технического обслуживания; £орг — время организационного обслуживания; £п — время перерывов в работе.
Но, учитывая специфику обработки глубоких отверстий в заготовках, имеющих значительную протяженность, доходящую по длине до 6-14 м и более, в качестве критерия оптимальности может быть использована наибольшая производительность, которая при сверлении, растачивании, раскатывании приближенно оценивается через основное время обработки
. = кйЬ о = 100^ ,
где ё и I — диаметр и длина ГО; V и 8 — скорость резания и подача, т. е. оптимизируемые параметры.
Себестоимость годового выпуска продукции действующего варианта обработки представим как
С1 = Е Рст шмг.
Здесь ^ст — годовой фонд времени работы станка; ам — себестоимость станко-минуты на единице оборудования,
ам апер + ап-п + апост
где апер — переменные затраты, пропорциональные времени обработки, включающей
заработную плату производственных рабочих (с начислениями на нее); ап-п — переменно-постоянные затраты, которые также изменяются пропорционально времени обработки и включают затраты на амортизацию и эксплуатацию станка и на эксплуатацию универсальных приспособлений, закрепляемых за станком; апост — постоянные прочие (цеховые) расходы, которые при данном объеме выпуска валовой продукции останутся постоянными независимо от изменения времени обработки; это означает, что его следует учитывать при выпуске дополнительной продукции при высвобожденном полезном фонде времени работы станка.
Себестоимость годового варианта выпуска продукции по новому варианту технологии представим как
С2 =Е рс
ст ам] '
где ам — себестоимость станко-минуты единицы оборудования.
При принятых условиях коэффициент сравнительной эффективности
Е ^ст амЬ Е
ст ам]
Е =
ДК
Отсюда
Е ^ст ам1 Е
ст ам]
ДК =
Е
Рассмотрим предельный случай, когда Е = = Ен. Тогда
Е Рст ам1 Е
ст ам]
ДК =
0,15
Эффективность нового варианта обработки может выражаться не только в повышении производительности по отдельным операциям технологического процесса, но и по сокращению числа действующих операций, а следовательно, по снижению единиц оборудования, необходимого для реализации нового варианта технологии обработки ГО.
На практике так и бывает, что новые прогрессивные процессы обработки ГО, при по-
вышении качества обработки позволяют значительно сократить и парк действующего работающего оборудования.
Допустим, что новый вариант обработки ГО не приводит к сокращению единиц оборудования, используемых на действующем варианте, и применяются те же самые модели станков, но изменяется (увеличивается) производительность обработки по операциям. Тогда значение коэффициента сравнительной эффективности примет вид
Е ^
Е -^ст aмi
Е=
Щ
АК
или
EF а -V aмi ^ст"ш ^ п
АК = -—
Е
Значение АК позволит определить предельные капиталовложения как по внедряемому варианту технологии обработки ГО в целом, так и отдельных операций.
По отдельным операциям коэффициент щ может быть представлен так:
• сверление — псв = 2;
• предварительное растачивание — ппр = 4;
• чистовое растачивание — пч.р = 5;
• электрохимическое алмазное хонингова-ние (вместо абразивного или алмазного размерного хонингования) — пэ.а.х = 10;
• гальваномеханическое алмазное хонинго-вание (вместо нанесения покрытия в стационарном электролите) — пг.а.х = 100.
Значение капитального вложения АК на операцию представим как
Е ^т ам
1 -
АК1 =
щ
0,15
При Е = Ен = 0,15
Jrстu■мi ¿и
щ
АК =
0,15
где щ — коэффициенты, характеризующие увеличение производительности по операциям нового технологического процесса.
ыс.
лей
600
/ /
/
/
300
_
2 4 6 8 10 п
Рис. 4. Зависимость дополнительных капитальных вложений АК от коэффициента п, характеризующего повышение производительности труда
Введем в значение для AKi вместо себестоимости станко-минуты среднечасовую зарплату станочника. Такое введение уменьшит значение предельных капитальных вложений и это уменьшение может быть связано с дополнительным развитием производства или с услугами социального обеспечения работников предприятия.
Годовой фонд работы станка АКст примем равным 1860 ч.
Предположим, что норматив почасовой заработной платы станочников по всем видам выполняемых операций (выполняемые операции довольно сложные и требуют рабочих высокой квалификации) одинаков и составляет 50 руб.
Тогда дополнительными капитальными вложениями будут:
• для сверления — 310 тыс. рублей;
• предварительного растачивания — 465 тыс. рублей;
• чистового растачивания — 496 тыс. рублей;
• электрохимического алмазного хонинго-вания — 558 тыс. рублей;
• гальваномеханического алмазного хонин-гования — 613,8 тыс. рублей.
Для замены полностью действующего технологического процесса новым капитальные
дополнительные затраты можно предусмотреть на основании сравнительного экономического коэффициента в размере 2442,8 тыс. рублей. С учетом других статей экономии, которые в расчете были опущены, эту величину следует округлить до 2,5 млн рублей.
Указанные суммы дополнительных капитальных вложений пойдут на проектирование и изготовление режущего инструмента, на проект модернизации универсальных станков общего назначения, на изготовление технологического оснащения по модернизации. Без проведения этих работ реализация новой технологии обработки глубоких отверстий не представляется возможной [4].
На рис. 4 показана зависимость дополнительных капитальных вложений ДК по обработке ГО от коэффициента п, характеризующего повышение производительности труда.
Литература
1. Звонцов И. Ф., Серебреницкий П. П., Схиртла-
дзе А. Г. Прогрессивные процессы формообразования и контроля глубоких точных отверстий. Ст. Оскол: ТНТ, 2015. 516 с.
2. Звонцов И. Ф., Серебреницкий П. П., Схиртладзе А. Г.
Технологии сверления глубоких отверстий. СПб.: Лань, 2013. 496 с.
3. Обработка металлов резанием: Справ. технолога / А. А. Панов, В. В. Аникин, Н. Г. Бойм [и др.]. Машиностроение, 2004, 784 с.
4. Звонцов И. Ф., Серебреницкий П. П. Прогрессивные технология растачивания отверстий в трубах из непре-цезионных заготовок // Металлообработка. 2012. № 1 (67). С. 15-23.
5. Серебреницкий П. П. Краткий справочник технолога-машиностроителя. СПб.: Политехника, 2007. 952 с.
6. Маталин А. А. Технология машиностроения. 2-е изд., перераб., исп. СПб.: Лань, 2008. 257 с.
7. Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.
