ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ФИНИШНЫХ ОПЕРАЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

Технология, оборудование и инструмент для финишных операций

Ю. С. ЧЁСОВ, доцент, ианд. техн. наук, В. В. ИВАНЦИВСКИЙ, доцент, канд. техн. наук,

С. В. ПТИЦЫН, доцент, НГТУ, г. Новосибирск

Обеспечение требуемого уровня качества выпускаемой продукции является, безусловно, одной из самых актуальных и приоритетных задач современного машиностроения. Известно, что к ответственным деталям механизмов, наряду с другими, предъявляются повышенные требования к состоянию поверхностного слоя (тип структуры, твердость, знак и величина остаточных напряжений, а также характер их распределения по глубине), воспринимающего основные статические и динамические нагрузки в процессе эксплуатации машин и оборудования, а следовательно, во многом предопределяющего работоспособность и технический ресурс конструкций в целом. В большинстве случаев выход из строя изделий происходит вследствие разрушений, распространяющихся от поверхности в глубь деталей. Поэтому к числу магистральных направлений повышения надежности следует отнести применение технологий, позволяющих изготавливать так называемые композиционные детали, у которых основной материал обеспечивает необходимые прочность и жесткость, а наружный слой - триботехни-ческие свойства.

В соответствии с общепринятым в технологии машиностроения подходом с целью формирования поверхностных слоев, обладающих требуемым комплексом физико-механических свойств, детали, определяющие работоспособность конструкций, на заключительной стадии изготовления сначала подвергают различным видам упрочнения. Для получения окончательной геометрической и размерной точности, а также шероховатости поверхности эти изделия проходят операцию чистовой обработки. Самым распространенным и производительным процессом финишной механической обработки является, как известно, абразивное шлифование. Однако оно характеризуется чрезвычайно высокой теплонапряженностью в зоне контакта инструмента с деталью, обладающей возможностью кардинально изменить достигнутое на предшествующей операции исходное качество поверхностного слоя. Поскольку структура закаленной стали выходит из равновесного состояния под действием даже кратковременных тепловых импульсов, в слое наблюдаются чаще всего, так называемые, «слоистые» распределения твердости с чередованием отпущенных и вторично закаленных зон. Это вызывает появление значительных градиентов остаточных напряжений и способствует в дальнейшем развитию микротрещин.

Несмотря на очевидные достижения в области управления качеством поверхностного слоя деталей при шлифовании, ориентированные, главным образом, на снижение теплонапряженности процесса резания с целью исключения или уменьшения вероятности зарождения дефектов, проблема гарантированного обеспечения заданного уровня физико-механических свойств пока не решена. Это обусловлено рядом причин, в том числе, на наш взгляд, и недостатками, присущими самому принципу построения заключительной стадии технологий обработки. Дело в том, что операции термической и последующей механической обработки традиционно разделены, т.е. выполняются на разном технологическом оборудовании. Поэтому из-за наличия погрешностей, возникающих вследствие тепловых деформаций материала и переустановки деталей, припуск под

чистовую обработку, как показывает практика, приходиться назначать довольно большим. Помимо тяжелого температурного режима со всеми вытекающими отсюда для качества слоя и инструмента последствиями, такой подход применительно к поверхностно термообработанным деталям неизбежно приводит к удалению наиболее эффективной части и снижению общей глубины упрочнения, что часто является просто неприемлемым.

Одним из наиболее радикальных и эффективных путей решения данной проблемы представляется оснащение металлорежущего оборудования, предназначенного для финишной обработки, дополнительным высококонцентрированным источником тепловой энергии, к которым, в первую очередь, следует отнести лазерный, плазменный, электронно-лучевой и индукционный. И этот подход уже нашел отражение в соответствующей тенденции развития зарубежного и отечественного станкостроения. В связи с тем, что такой источник подвергает нагреву локальные по размеру участки, упрочнение всей поверхности заготовки может быть достигнуто только засчет их относительного перемещения с использованием формообразующих движений станка.

Однако при практическом воплощении идеи интеграции на базе процессов, абсолютно разных по своей физической природе, необходимо, прежде всего, выбрать наиболее рациональный метод поверхностной термообработки по ряду критериев - экономичности, производительности, гибкости, простоте конструктивного исполнения и т.п. Комплексная оценка, выполненная на основе тщательного анализа специфики каждого из них, позволяет уверенно констатировать, что для поставленной задачи наиболее приемлемым является индукционный нагрев - нагрев токами высокой частоты (ТВЧ), обладающий перед другими методами рядом неоспоримых преимуществ. В отличие от них он хорошо технологически отработан, прост и экономичен в эксплуатации, не требует сложной защиты обслуживающего персонала от влияния вредных и опасных факторов, а также специальной подготовки поверхности детали для термообработки, легко управляем режимными параметрами, стабилен в протекании процесса, вполне универсален в плане конфигурации упрочняемых поверхностей и базируется на серийно выпускаемых стандартных генераторах ТВЧ. В последнее время был преодолен основной недостаток традиционной закалки ТВЧ (сравнительно низкий уровень удельной мощности нагрева) благодаря развитию технологии высокочастотного нагрева, работам по миниатюризации индукторов и оснащению их ферритовыми магнитопроводами, не теряющими своих свойств в сильных магнитных полях. Это привело к появлению модификации, а по сути, к созданию нового метода -высокоэнергетического нагрева ТВЧ (ВЭН ТВЧ), который основан на комплексном использовании эффектов, присущих явлению электроматитной индукции [1, 2].

По сравнению с обычным индукционным нагревом ВЭН ТВЧ обладает рядом особенностей. Во-первых, инструментом является плоский индуктор петлевого типа (рис. 1), поскольку конфигурация его рабочей поверхности должна соответствовать форме режущей кромки инструмента для механической обработки. Во-вторых, с целью передачи больших мощностей и обеспечения нормального температурно-

52 № 1 (12)2001

ТЕХНОЛОГИЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

го режима рабочей части инструмента (при обязательном принудительном охлаждении) толщина стенки активного провода индуктора выполняется в пределах глубины проникновения тока в медь. В-третьих, процесс обработки осуществляется с весьма малыми зазорами (несколько десятых дслей миллиметра) между рабочей кромкой инструмента и поверхностью изделия при минимально возможной ширине активного провода. И, в-четвертых, иццуктор снабжается ферри-товым магнитопроводом с очень высокой магнитной проницаемостью, роль которого состоит в искажении магнитного поля и «выталкивании» его наружу, т.е. непосэедственно к поверхности обрабатываемой детали. Перечисленный комплекс мер позволяет резко увеличить концентрацию тепловой энергии, доводя ее при непрерывно-последовательном способе нагрева до уровня 300 МВт/м2. что уже сопсставимо с удельной мощностью, развиваемой другими высокоэнер-гэтическими источниками на операции упрочнения (без оплавления поверхностного споя).

Рис.1. Схем«! упрочнения дьлали при ВЭН ТВЧ. 5- рабочий зазор между индуктором и обраба~ываемой поверхностью; Д - глубина проникновения тока в металл

При решении проблемы оснащения металлорежущего оборудования внешним источником нагрева необходимо иметь в виду следующее. Вариан- с индивидуальной встройкой индуктора чреват значительными потерями энергии в токопроводящих шинах, величина которых сильно зависит ст удаленности объекта от генератора ТВЧ. Такая компоновка характеризуется крайне низким коэффициентом полезного действия (КПД). Размещение же стандартного выносного закалочного блока чаще всего либо невозможно, гибо затруднено из-за его больших габаритов и неприспособленности к встраиванию. Поэтому при реализации принципа интеграции объективно возникает потребность в разработке сгециального компа<тного термического устройства желательно модульного типа.

Схема обработки, иллюстрирующая интеграцию разно-

Рис. 2. Схема обработки при интеграции разнородных процессов: 1 - шлифовальный круг; 2 - обрабатываемая деталь; 3 - инд/ктор; 4 - гибкий шинопровод; 5 - трансформатор; 6 - конденсаторная батарея; 7 - генератор ТВЧ; 8 - выносной закалочный контур

Закалочное устройство представляет собой ряд стандартных эгементов, связанных между собой единой электрической схемой. В его состав входят источник энергии, конденсаторная батарея, понижающий трансформатор и индуктор. При ВЭН ТВЧ источником электромагнитной энергии является генератор лампового или тиристорного типа с частотой тока от 440 кГи и выше. Блок конденсаторов служит для уменьшения загрузки генэратора реактивной мощностью и подключается параллельно индуктоэу, а трансформатор - для согласования напряжений источника энергии и индуктора. В зависимости от типа движения, которое необходимо придать индуктору (качательное или возвратно-поступательное), связь последнегс с трансоорматором может быть выполнена в виде гибких или жестких шиноп-роводов. С целью снижения энергетических потерь и повышения КПД конденсаторную батарею и понижающий трансформатор с индуктором желательно объединить в эдиный комплекс, называемый выносные закалочным контуром. И именно данную часть установки ТБЧ непосэедственно встраивать в станочную систему. Целесообразность такого решения объясняется тем, что го цепи генератор-контур передается высокое (дс 10 кВ) напряжение, тогда как от трансформатора к индуктору оно становился как минимум на порядок ниже.

Совмещение процессов шлифования и поверхностной термической обработки на металлорежущем оборудовании с использованием его формообразующих движений может быть реализовано при различной последовательности выполнения этих операций во времени. На практике она регламентируется технологией изготовления конкретных деталей, сложностью их формы V конструктивными особенностями станка, на котором размещен выносной контуэ.

Авторам работ (2. 3] впервые удалось разработать несколько вариантов конструкций выносного закалочного контура, выполненного в виде автономного устройстве. Такие модули кинематически не связаны со станком, обладают соответствующим органом для доставки индуктора в рабочую зону, компактны, просты в настройке требуемого цикла управления и его автоматизации и могут быть встроены в широкую гамму технологического оборудования. Кроме тего, разработана и методика назначения оптимальных режимных параметров процесса упрочнения [4]. которая дает возможность управлять уровнем физико-механических свойств поверхностного слоя деталей.

Несколько лет назад авторами был спроектирован и внедрен на ОАО «Сибтекмвш» г. Новосибирска один из вариантов термического модуля, встроенного в круглошлифо-вальный полуавтомат модели ЗМ151В. Результаты испытаний и последующей эксплуатации станочногс комплекса подтвердили высокую эофективность избранного годхода к проблеме, так как это решение позволяет:

- существенно повысить качество поверхностного сгоя деталей, поскольку теперь становится возможным назначать припуск под чистовое шлифование минимально необходимым (что, естественно, отражается на уровне тепловыделений), а в большинстве случаев и вообще ограничиться только выхаживанием;

- обеспечить рост производительности на заключительной стадии технологического процесса в 5...7 раз, как за счет времени, затрачиваемого на осуществление обеих операций, так и вследствие исключения времени, требуемого на переустановку изделия;

- снизить энергоемкость процессов окончательной ме-хенической и термической обработки з 4...6 раз, учитывая, что закалку можно производить на меньшую глубин/, а гри шлифовании снимается слой металла малой толщины.

№ 1 (12) 2001 53

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ИНСТРУМЕНТ

Литература.

1. Дворников В.Н., Русин П И. Импульснаг закслка с оысоко энергетического нагрева ТВЧ // Новые металлы и технология термической обработки металлов Тезисы докл. науч.-техк конф. -Киев: МДНТП, 1Э85. - С. 38-40.

2. Чёсов Ю.С., Иванцивский В.В., П|ицын C.B. Технслогичес-кий модуль для поверхностной термической обработки Ч Оборудование и технология машиностроительного производства: СЬ.

науч. тр. - Новосибирск: Иэд-во НГТУ, 1996. - Был. 2. - С. 61-66.

3. Пат. 1779265 АЗ СССР, МКИ С 21 О 1/42. Устройство для индукционного нагрева.

4. Чёсов Ю.С., Иыьнциьский В.В. Энергетические возможности процессов упрочнения при механической и поверхностной теэмичэской обработке // Оборудование и технология машиностроительного производства: Сб. науч. тр. / Нэвосиб. гсс. техн. ун-т. - Новосибирск, 1994. - Вып. 1. - С. 17-23.

Влияние геометрических параметров червячно-модульных фрез с вершиной зуба, очерненной по дуге окружности на величину их износа

Н. Я. СМОЛЬНИКОВ, профессор, доктор техн. наук, А. Т. НАРОЖНЫХ, доцент, канд. техн. наук,

А. А. КУРИН, канд. техн. наук, ВолгГТУ, г.Волгоград

Конструктивные параметры червячно-модульных фрез и геометрия зубьев существенно влияют на их износ и стойкость. Основными из указанных параметров, влияющих на износ зубьев, являются величины задних и передних углов, а такхе число стружечных канавок.

Исследование влияния задних углов при вершине зубьев фрез показывают, что различные схемы резания по-разному реагируют на изменение величины заднего угла при вершине зубьев радиусных фрез. Из анализа кривых износа видно, что рациональный задний угол при вершине зубьев фрез с грогрессивной схемой резания равен 14°30/, тогда <ак у обычных фрез он составляет 18° (рис.1). Своеобразное изменение износа зубьев при увеличении заднего угла можно объяснить следующим. Уменьшение износа при увеличении заднего угла до его рационального значения объясняется тем, что при этом уменьшается площадка контакта задних граней зубьев фрезы с обрабатываемой поверхностью. Дальнейшее увеличение заднего угла выше рационального ведет к уменьшению прочности режущих кромок и их выкрашиванию. При этом происходит

увеличение износе.

В работах [1. 2] гриводятся ссодсиия о том, что оптимальное значение заднего угла в основном зависит от толщины срезаемого слоя: чем меньше толщина срезаемого слоя, тем больше оптимальная величина заднего угла, и наоборот. Режущие кромки зуба фрезы с прогрессивной схемой резания - как боковые, так и гериферийная - по сравнению с зубом обычной фрезы, срезают более толстые слои. Следовательно, величина оптимального заднего уша у радиусных фрез с прогрессивной схемой резания должна быть меньше чем у стандартных, что подтверждается результатами экспериментов.

Величина переднего угла также оказывает значительное влиямио на стойкость радиусных фрез. Червячно-мо-дульные фрезы обычно изготавливают с нулевым передним углом. Это связано с тем, что при изменении переднего угла возникает необходимость коэректировки профиля зубьев фрезы. Однако увеличение передних углов до 10 -15°

0,75 0,50 0,25

о

7 10 К 18 а, град Рис. 1. Зависимость износа от величины заднего угла (т=3мм, z=10, S0=3mm.'o6, V=27m/mhh)

значительно повышает стойкость (рис.2). При определении влияния величины переднего угла на износ иг.пытывя-лись фрезы с рациональным задним углом при вершине. Кривые износа зубьев фрез с различными схемами резания свидетельствуют о следующем: увеличение переднего угла в среднем до 5 - 7" приводит к некоторому снижению износа, дальнейшее его увеличение выше указаннсго предела увеличивает износ и вызывает выкрашивание режущих кромок.

Величина рациональною переднего угла дня фрез с различными схемами резания одинаковы, следовательно, передний угол в равной мере оказывает влияние на износ зубьев фрез с исследуемыми схемами резания.

Известно, что для уменьшения высоты неровностей зубьев нарезаемого колеса, уменьшения толщины срезаемых слоев, а значит, и соответствующего уменьшения износа задних поверхностей зубьев фрез, применяются фрезы по возможности с большим числом реек. Проведенные исследования показывают, что увеличение числа реек фрезы одинаково влияет на износ зубьев фрез с различными схемами резания.

Выводы:

1. Конструктивные параметры червячно-модульных фрез и геометрия зубьев оказывают значительное влияние на их износ и стойкость.

2. Влияние конструктивных и геометрических параметров зубьев фрезы с прогэессивнсй схемой резания на их износ V стойкость аналогично влиянию на обычные чер-вячно-модульные фрезы с вершиной зуба, очерченной по дуге окружности. Разница заключается лишь в степени этого влияния.

Литература.

1. Шишков В.А. Образование поверхностей резанием по методу оокатки. - М.: Машгиз, 1951.

2. Баскаков Г.В. Определение усилий при фрезеровании прямозубых зубчатых колес червячной фрезой: Дисс.... канд. техн. наук.- МСИИ, 1955

о 5 % град

Рис. 2. Зсоисимость износа от величины переднего угла: 1 - зависимости взноса обычных фрез; 2 - зависимости износа фрез с прогрессивной схемой резания

54 №1 (12)2001