Обработка наружных цилиндрических поверхностей

Обтачивание на токарных станках. На рис. 5.1 показаны характерные способы установки и закрепления деталей при обработке наружных цилиндрических поверхностей: а — в центрах; б — в самоцентрирующем патроне (общего назначения или специальном); в — в патроне с поддержкой конца детали задним центром; г — в четырехкулачковом патроне общего назначения;- д — в каком-либо специальном приспособлении.

а

б

г

д

в

Рис. 5.1. Способы установки деталей при обработке наружных поверхностей

В зависимости от качества и точности обрабатываемых цилиндрических поверхностей обтачивание заготовок делится на:

черновое (или обдирочное) – с точностью обработки по 13-12 квалитету и с шероховатостью поверхности Rz80;

чистовое с точностью обработки до 10 квалитета и с шероховатостью поверхности до Rа 2.5;

тонкое с точностью обработки до 5-6 квалитета и с шероховатостью поверхности до Rа 0.32

Заточенный качественный резец в состоянии снимать припуск в пределах около сотой доли миллиметра. Наибольшую величину припуска ограничивает лишь прочность резца и мощность станка (иногда — жесткость или прочность самой обрабатываемой детали). Таким образом, в отношении допустимого припуска на обработку метод широко универсален.

Точность зависит не только от метода обработки, но и от точности установки детали. Например, при установке в центрах (рис. 5.1а) соосность обработанного и необработанного участков валика будет зависеть от качества предшествующей зацентровки валика. При установке по схеме рис. 5.1 б, в она будет зависеть от точности патрона и т. п. Взаимная соосность группы поверхностей, обработанных при одной установке (ступенчатый валик) получается наивысшей.

Ступенчатые поверхности с малой разницей диаметров ступеней (малая высота уступов) обтачивают резцом с главным углом в плане j = 90°. При высоких уступах, когда возможен сильный отжим резца, торец уступа обрабатывают в отдельном переходе. Длинные валы при обтачивании в центрах прогибаются и получаются бочкообразными. Некоторое уменьшение прогиба (примерно в 2,5 раза) получается, если вместо установки в центрах применить установку в патроне с поддержкой конца детали задним центром (рис. 5.1в). Но при последующей обработке поверхности, занятой патроном, соосность ее с поверхностью обработанной ранее, будет худшей (другие установочные базы). В связи с этим применяют люнеты.

Люнет должен лишь поддерживать деталь, но не устанавливать ее (она уже установлена центрами станка), поэтому его кулачки устанавливают по поверхности детали. Эта поверхность должна быть соосна центровым гнездам, иначе деталь будет искривляться при вращении, а люнет перегружаться. Обеспечивая нормальную работу подвижного люнета (закрепляемого на суппорте станка), располагают его кулачки позади резца (рис 5.2а). Для кулачков неподвижного люнета (закрепляемого на станине станка) протачивают (а иногда еще и шлифуют «шейку под люнет» (рис. 5.2б).

а б

Рис. 5.2. Применение люнетов

а—подвижный люнет; б—неподвижный

На грубых черновых операциях основным путем повышения производительности служит увеличение глубины резания (уменьшение числа проходов), а затем—подачи. На чистовых—увеличение скорости резания. С этой целью широко применяют резцы, оснащенные пластинками из твердого сплава и керамики.

Применение токарных многорезцовых полуавтоматов позволяет повысить производительность путем совмещения переходов операции и автоматического получения всех операционных размеров при соответственном снижении квалификации работы.

Наладка многорезцового станка трудоемка, поэтому применение его оправдывается в серийном и массовом производствах. Каждый цилиндрический участок детали можно обрабатывать одним или несколькими резцами, поэтому потребуется разный ход переднего суппорта, и будет получаться разная производительность. При расположении резцов по схеме, показанной на рис. 5.3а (наладка по наибольшей ступени), ход суппорта определяется длиной наибольшей ступени l₁. Как видно на схеме, резцы 2 и 3 будут иметь холостой пробег. По схеме, показанной на рис. 5.3б (наладка по наименьшей ступени), потребный ход суппорта определяется длиной наименьшей ступени l₃. Для обтачивания ступеней l₁ и l₂ поставлено по два резца (число резцов зависит от соотношений l₁ : l₃ и l₂ : l₃)

а

б

Рис. 5.3. Два варианта наладки: а—наладка по наибольшей ступени; б—наладка по наименьшей ступени

Поперечное врезание на глубину припуска обеспечивается одновременно с продольной подачей («косое врезание»).

На заднем суппорте в обеих схемах показаны подрезной, канавочный и фасонный резцы.

При обработке одной ступени несколькими резцами на поверхности образуются уступы из-за погрешностей установки резцов на размер и разного протекания их износа. Поэтому более производительный способ — наладку по наименьшей ступени — применяют при обтачивании под шлифование. В случае, если наименьшая ступень мала, прибегают к комбинации первого и второго способов.

Установку резцов производят по эталонной детали. Практикуют также установку взаимного положения резцов в державке вне станка (съемные блоки резцов). По результатам обработки первых деталей вносят необходимые поправки в положение резцов.

Частоту вращения шпинделя устанавливают по резцу, работающему в наиболее тяжелых условиях. При большом количестве резцов проверяют соответствие намеченного режима мощности станка. Режимы обработки могут ограничиваться также жесткостью детали и надежностью ее закрепления.

Шлифование. Широкое применение различных методов шлифования обусловлено их высокой точностью. Кроме того, это единственный процесс, способный заменять чистовое точение в случаях, когда поверхность имеет высокую твердость.

Производительность шлифования зависит от величины припуска, поэтому обычно шлифование применяют после обтачивания поверхности. Величина необходимого припуска зависит от качества предшествующей обработки, т. е. в данном случае — от обтачивания под шлифование. Если за обтачиванием следует термообработка, в результате которой ожидают заметное искажение формы детали, припуск соответственно увеличивают.

Для обработки наружных цилиндрических поверхностей применяют предварительное, чистовое и тонкое шлифование. Наиболее распространенным является чистовое шлифование, при котором точность обработки поверхностей достигает 5-6 квалитета, шероховатость — Ra 0,63-0,32; точность по форме — 0,003 мм и хуже; чаще всего — в пределах половины допуска на диаметр.

Положение обработанной поверхности относительно необрабатываемых зависит от точности установки детали. При установке непосредственно в центрах станка особенно следят за состоянием центровых гнезд. После термообработки деталей гнезда тщательно зачищают. Наилучшая соосность обработанных поверхностей получается при шлифовании их в одну установку.

Скорость круга при шлифовании (скорость резания) ограничивается прочностью крута. Обыкновенно ее не допускают более 30—35 м/с. Шлифование особо прочными кругами с большими скоростями (до 75 м/с) называют «скоростным».

Скорость вращения детали, при прочих равных условиях, определяет объем металла, снимаемый в единицу времени. Однако чрезмерно большая скорость приводит к быстрому засаливанию круга, и шлифование становится невозможным. Оптимальную скорость (обычно в пределах 16—60 м/мин) выбирают после назначения глубины резания и подачи.

Различают два способа круглого шлифования: шлифование с продольной подачей, шлифование с поперечной подачей (врезанием).

Шлифование методом продольной подачи (рис. 5.4) ведут с малой глубиной резания (t=0,005-—0,02 мм), вследствие чего даже сравнительно небольшой припуск на сторону приходится снимать в несколько проходов. Малая глубина t позволяет применять большие подачи на оборот детали (S₀=0,34-0,8 В).

Рис. 5.4. Шлифование с продольной подачей

Шлифование методом врезания требует, чтобы ширина круга была несколько больше протяженности шлифуемой поверхности (рис. 5.5). Вследствие большой ширины шлифования допускают малую подачу на оборот детали (S₀ = 0,001—0,005 мм). При этом путь круга в металле (расчетная длина обработки) равен величине припуска на сторону. Метод врезания оказывается более производительным, чем метод продольной подачи.

Рис. 5.5. Шлифование врезанием

Шлифование уступами представляет собой комбинацию метода врезания и метода продольной подачи. К нему прибегают, если ширина круга меньше длины шлифования. Вначале методом врезания шлифуют уступы, оставляя 0,01—0,02 мм на «зачистку», затем продольным шлифованием получают заданную точность.

Прилегающую к цилиндрической поверхности плоскую поверхность (терец ступени, бурт, фланец и т. п.) шлифуют боковой поверхностью круга. Для уменьшения площади контакта и достижения лучшей плоскостности поверхности применяют круг с конической боковой поверхностью или заправляют на конус («поднутряют») плоский круг.

На бесцентрово-шлифовальных станках применяют два основных метода шлифования. Методом сквозной (продольной) подачи шлифуют детали без уступов — гладкие валики, пальцы и т. п. Работа ведется непрерывно — детали закладываются с одной стороны и принимаются с другой. Число таких проходов (2—6) зависит от величины припуска и требуемой точности поверхности.

Рис 5.6. Бесцентровое шлифование

Методом врезания (с поперечной подачей) шлифуют детали с уступами (рис. 5.6). При этом ось подающего круга устанавливают почти параллельно оси режущего круга (под углом до 0,5°), а осевое перемещение детали не допускают с помощью упора.

Шлифование на бесцентровом станке представляет собой систему обработки с самоустанавливающейся конечной связью — взаимное положение детали и инструмента (режущего круга) определяется здесь самой обрабатываемой поверхностью. Подобные системы не позволяют влиять на точность обработки. Таким образом, этот процесс пригоден только для операций, в которых требуется улучшить лишь точность самой поверхности.

Нормативные припуски для бесцентрового шлифования на 20—30% меньше, чем для центрового. Уменьшение припуска и большая ширина шлифовального круга — основные причины большей производительности бесцентрово-шлифовальных станков.

В условиях крупносерийного и массового производств основным путем повышения производительности многопереходных операций шлифования является применение так называемого «совмещенного» шлифования. Совмещение переходов достигается с помощью соответственно заправленного широкого круга .или комплекта из нескольких кругов (рис. 314, а). Применение подобных методов требует кругов повышенного качества по всем параметрам (геометрия, уравновешенность, однородность твердости и т. д.) и соответствующих станков. Аналогичные методы доступны на обыкновенных бесцентрово-шлифовальных станках (рис. 314,6), так как их конструкция рассчитана на обработку небольших деталей сравнительно широкими кругами.

а б

Рис. 5.7. Шлифование «совмещенное»

Обработка отверстий

Сверление. Сверлением получают отверстия в сплошном материале. Короткие (неглубокие) отверстия сверлят обыкновенными спиральными сверлами, получая точность 12-13 квалитета, а при малых диаметрах даже более высокую.

Различают два метода сверления: вращением сверла - станки сверлильной группы и вращением детали - станки токарной группы.

Второй метод используют при глубоком сверлении, кольцевом сверлении крупных отверстий, требующем от станка большей мощности и жесткости, чем может обеспечить сверлильный станок. В остальных случаях этот метод является простым следствием включения сверления в состав токарной операции (револьверные станки, токарные автоматы и др.). Для уменьшения бокового отжима сверла в момент врезания предусматривают в предшествующем переходе засверливание отверстия коротким жестким сверлом с меньшим углом при вершине.

На сверлильных станках операции сверления выполняют с помощью кондукторов. Кондуктор позволяет обрабатывать в одной операции много отверстий одного диаметра. Для получения отверстий разных диаметров в одной операции применяются для закрепления инструмента быстросменные патроны (рис. 5.8). Для повышения производительности применяют многошпиндельные головки или специальные (агрегатные) станки.

рис. 5.8. Быстросменный патрон

Для точных отверстий сверление является первой операцией (или переходом), подготавливающей отверстие к последующей более точной обработке. Применение кондуктора с быстросменными втулками и быстросменных патронов для закрепления инструментов в шпинделе станка позволяет выполнять в одной операции сверление, зенкерование и развертывание.

Зенкерование. Зенкеры применяют для обработки отверстий диаметром до 120 мм. Цельные зенкеры имеют 3—4 режущих зуба и спиральные канавки, меньшей глубины, чем у сверл. Благодаря этому они обладают большей жесткостью, чем сверла, и менее склонны к уводу. Крупные зенкеры делают насадными, со вставными зубьями.

Зенкерование – универсальный процесс, как и обработка резцом. Наибольшая величина припуска ограничивается лишь прочностью зенкера. Геометрия зуба зенкера близка к геометрии резца, но поскольку у зенкера несколько зубьев, подача его на один оборот может быть большей, а вместе с этим — больше и производительность обработки.

Черновое (обдирочное) зенкерование применяют для обработки отверстий, полученных в отливках или поковках. Для предотвращения вибраций и увода зенкер направляют направляющей втулкой. Это необходимо не из-за малой жесткости самого зенкера, а вследствие недостаточной жесткости станка, особенно если станок сверлильный. Точность отверстия после обдирки зенкером примерно соответствует 12-13 квалитету.

Особенно часто зенкерование применяют после сверления для повышения точности отверстия и точности положения его оси, которое обеспечивается лучшей по сравнению со сверлом геометрией зенкера и его большей жесткостью. При этом достигается 11-12 квалитет точности отверстия по диаметру, а в благоприятных условиях (малый диаметр, небольшой и равномерный припуск) и более высокая, с шероховатостью до Ra 2.5 мкм.

а б в

Рис. 5.9. Раззенковывание отверстия (а), зенкование фаски (б) и подрезание торца (в)

Зенкерованием снимают фаски у отверстий, делают углубления, а также площадки (торцовка), необходимые для крепежных деталей т. п. Для того чтобы указать на такую особенность процесса, его часто называют зенкованием, а применяемые зенкеры — зенковками (рис. 5.9). Подрезание торцев в труднодоступных местах производят съемными зенковками(рис. 5.10), укрепляемыми на державке так называемым штыковым затвором.

рис. 5.10. Съемные зенковки

В операциях, выполняемых на револьверных станках, находят применение, кроме сверл, зенкеров и зенковок, комбинированные инструменты, позволяющие совмещать переходы.

Развертывание. Развертыванием обрабатывают отверстия в том же диапазоне диаметров, что и зенкерованием. Небольшие развертки делают цельными, а крупные — насадными.

Развертки рассчитаны на снятие малого припуска. Они отличаются от зенкеров большим числом зубьев и прямым направлением зубьев, меньшими углами в плане. Снятие разверткой большого припуска дает результаты по точности и производительности даже худшие, чем зенкерование.

Для того чтобы оставить на развертывание малый припуск, предшествующая обработка должна быть соответственно точной — обычно ею служит зенкерование или растачивание резцом. В результате может быть достигнута точность отверстия, соответствующая 9-10 квалитету.

Для достижения более высокой точности необходим более точный метод предшествующей обработки. Таким методом может служить само развертывание после зенкерования или растачивания резцом. По отношению к последующему более точному (чистовому) развертыванию оно будет черновым. Чистовым развертыванием возможно получать отверстия с точностью до 7 квалитета при шероховатости до Ra 0,63.

Как процесс более тонкий, чем зенкерование, развертывание более чувствительно не только к колебаниям величины припуска, но и к другим факторам, влияющим на точность обработки. В частности, помимо высокой точности и тщательной заточки самой развертки, обязательным условием для получения высокой точности отверстия является строгое совпадение оси развертки с осью отверстия, подлежащего развертыванию.

Несовпадение осей приводит к разбиванию отверстия, поэтому развертку связывают со станком не жестко, а с помощью державки (качающейся или плавающей—рис. 5.11), позволяющей развертке самоустанавливаться по отверстию.

Рис. 5.11. Плавающая державка

Таким образом, развертывание принадлежит к процессам, позволяющим улучшать только точность диаметра и чистоту обработки, положение оси отверстия остается практически прежним.

В некоторых случаях бывает целесообразно, а иногда и необходимо, давать развертке принудительное направление с помощью втулок. Это нужно при малой длине отверстия, при малой длине приемного конуса (развертывание глухого отверстия почти на всю его длину) с целью предотвратить перекос развертки (рис.5.12).

а

А

А

А - А

в

б

Рис. 5.12. Направление разверток: а – заднее, б – переднее, в - двойное

Для развертывания крупных отверстий применяют также плавающие развертки — двузубые плоские ножи, точно пригнанные к пазу державки. Наиболее часто ими пользуются в операциях, выполняемых на расточных станках.

Характерным дефектом развертывания являются риски на обработанной поверхности, возникающие вследствие случайного налипания материала на зуб развертки, а также пятна — следы предшествующей обработки, особенно вероятные при малом припуске. Поэтому развертывание отверстий, в которых подобные дефекты не допускаются, заменяют при возможности другими процессами — хонингованием (для стальных деталей) или тонким растачиванием (детали из цветных сплавов).

Растачивание. Существует два основных способа растачивания: растачивание, при котором вращается деталь (станки токарной группы), и растачивание, при котором вращается инструмент (расточные станки).

Растачивание резцом на токарном станке общего назначения является во всех отношениях наиболее универсальным методом обработки отверстий. На токарных станках можно обрабатывать отверстия самых различных размеров с различной точностью, в самых разнообразных по форме и размерах деталях.

Обрабатываемые детали устанавливают на станке при помощи патронов общего назначения и специальных приспособлений. При растачивании выемок, выточек и т. п. в центральном отверстии длинных деталей (пустотелые валы) конец детали можно поддерживать люнетом.

В отношении величины допустимого припуска на обработку, экономически целесообразной (и достижимой) точности обработки и т. д., растачивание — подобно обтачиванию.

Расточные станки применяют для обработки отверстий в крупных деталях, таких, которые трудно или невозможно разместить и вращать на станке токарного типа.

Инструментами служат резцы, закрепленные в державках (длинные державки с передним направлением называют борштангами), расточные пластины и блоки. Применение резцов обусловлено их простотой и надежностью при грубом растачивании литого или прошитого отверстия, при неравномерном распределении припуска по диаметру отверстия. Закрепление резца в державке может быть радиальным или осевым (рис. 5.13).

б

а

Рис. 5.13. Закрепление резца в державке: а – радиальное, б – осевое

Расточная пластина является мерным, специальным инструментом. В противоположность этому расточной блок (рис. 5.14) представляет собой корпус со вставными резцами, положение которых можно регулировать, т. е. устанавливать резцы на требуемый диаметр поверхности. Блок закрепляют в борштанге при помощи конического штифта или клина, допускающего быстрое снятие блока. Для чистового растачивания применяют также плавающие блоки.

Рис. 5.14. Расточные блоки: а - черновой; б—чистовой

Чистовым растачиванием получают точность до 6 квалитета. Точность расположения отверстия зависит от точности установки детали в приспособлении и от точности установки шпинделя станка относительно детали.

Шлифование отверстий. Отверстия шлифуют реже, чем наружные цилиндрические поверхности, так как для получения точного отверстия используют другие методы (развертывание, хонингование и др.).

Но для деталей с высокой твердостью, не допускающей обработку лезвийным инструментом, шлифование является единственным методом, позволяющим повышать не только точность самого отверстия, но и точность координат его оси. Кроме того, шлифование бывает необходимым для обработки глухих коротких отверстий, отверстий большого диаметра, отверстий с тонкими стенками, с канавками и во многих других случаях. Вероятность брака при шлифовании всегда меньше, чем при развертывании. В производствах небольшого масштаба использование шлифования позволяет не изготовлять нестандартные развертки.

В производствах большого масштаба чистовое шлифование сквозных отверстий часто заменяют хонингованием, выдерживая необходимые координаты оси на операции шлифования.

Сквозные отверстия шлифуют методом продольной подачи, а короткие — методом врезания (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Схемы шлифования на внутришлифовальном станке

В массовом производстве деталей типа колец широко применяют бесцентровое внутреннее шлифование (рис. 5.16). Кольцо поддерживается опорным роликом 1 и прижимается к ведущему кругу 2 нажимным роликом 3. Можно видеть, что такая схема шлифования обеспечивает наилучшую равностенность кольца.

Рис. 5.16. Схема внутреннего бесцентрового шлифования

Протягивание отверстий. Для протягивания нужна достаточно большая жесткость детали в направлении оси отверстия. В процессе протягивания связь протяжки с деталью (конечная связь) — самоустанавливающаяся (рис. 5.17), поэтому протягивание, подобно развертыванию, дозволяет влиять только на точность самого отверстия.

Протягивание отличается высокой производительностью при больших допустимых припусках на обработку и высокой точностью получаемой поверхности. По широте диапазона допустимого припуска оно сравнимо со всеми видами растачивания, а по точности — с развертыванием.

Подготовка отверстия под протягивание производится сверлением или растачиванием. В случае неперпендикулярности отверстия и опорного торца детали применяют сферическую опору (рис. 329, б). Припуск на протягивание оставляют в среднем величиной 0,5—0,8 мм. Подачу на зуб предусматривают в пределах 0,02—0,1 мм в зависимости от конкретных условий. Обычная точность отверстия после протягивания — 6 квалитет, с шероховатостью поверхности до Ra 0.63.

С целью повысить точность до 5 квалитета при обработке деталей из цветных сплавов часто применяют калибрующие протяжки. Зубья такой протяжки не режут, а скоблят металл (шабрующие зубья) или только сглаживают стенки отверстия (выглаживающие зубья).

При обработке вязких сталей находят применение протяжки с чередующимися секциями уплотняющих и режущих зубьев. Уплотнение материала перед режущими зубьями оказывают благоприятное влияние на процесс, особенно в отношении чистоты обработки, уменьшая возможность надиров.

а

б

Рис. 5.17. Протягивание отверстия: а - опора жесткая; б - опора плавающая

Вследствие необходимости хорошей загрузки протяжного станка и сравнительно высокой стоимости инструмента, протягивание оправдывается в производстве с достаточно большим выпуском деталей.

Особенности обработки глубоких отверстий. Глубокими называют отверстия, у которых длина намного (в 10 и более раз) превышает диаметр. Большая длина отверстия требует особых мер для уменьшения увода инструмента (искривления оси отверстия), возрастающего вместе с увеличением длины. Особенно важно уменьшить увод при сверлении, так как существенно улучшить прямолинейность оси отверстия последующей обработкой очень трудно, а часто и невозможно.

Для глубокого сверления характерны следующие особенности:

1. применяется станок определенного назначения (для глубокого сверления), на котором операция ведется обязательно при вращении детали;

2. в начале обработки сверло обязательно направляется втулкой или предварительно расточенной (иногда еще и прошлифованной) частью самого обрабатываемого отверстия;

3. применяются сверла специальных конструкций с повышенной жесткостью и точностью;

4. предусматривается вымывание стружки из зоны резания смазочно-охлаждающей жидкостью, подаваемой под высоким давлением до 4 МПа и более, благодаря чему отпадает надобность в выводах сверла в процессе сверления.

В качестве инструментов применяют пластинчатые сверла-перки для сравнительно неглубоких отверстий большого диаметра, сверла одностороннего резания и другие конструкции под общим названием «сверла для глубокого сверления». Лучшие из таких сверл уводятся очень незначительно (десятые доли миллиметра при d = 30 мм и l:d = 30-40).

Повышение точности диаметра и уменьшение шероховатости, если в этом есть необходимость, достигают с помощью зенкерования, развертывания или протягивания отверстия. Для зенкерования и развертывания глубоких отверстий характерно применение так называемой обратной подачи. Инструмент не проталкивается в отверстие, а протягивается через него, чтобы тонкая державка работала на растяжение. Улучшить прямолинейность или изменить положение оси отверстия путем растачивания возможно лишь в том случае, если диаметр отверстия достаточно велик для применения каких-либо средств, препятствующих отжиму резца.