Научно-исследовательская часть
Появление в промышленности группы новых инструментальных материалов, таких, как сверхтвердые материалы (СТМ) на основе алмаза и нитрида бора позволило внести существенные изменения в металлообработку. И хотя прошло уже немало времени с начала внедрения этого инструмента в промышленность интерес к нему не только не ослабевает, но с каждым годом усиливается.
Как показывает опыт ни один новый инструментальный материал не вызывает сегодня такой интерес у промышленности, как сверхтвердые материалы. Это связанно, в первую очередь с тем, что они имеют уникальные физико-механические свойства значительно отличающиеся от традиционных инструментальных материалов, что позволило получить принципиально новые результаты в материалообработке. С другой стороны режущие инструменты из этих материалов хорошо отработаны всеми известными инструментальными фирмами, что позволило обеспечить их высокую производительность и надежность в работе. Нельзя не отметить и тот определенный вклад в науку, и практику резания инструментом из сверхтвердых материалов, какой, одними из первых, внесли работы ученых ХПИ. Лезвийная обработка инструментами на основе СТМ, как показали исследования, характеризуется рядом особенностей, предопределенных уникальными физико-механическими свойствами этих материалов. Так для инструментов на основе алмаза это высокие твердость, теплопроводность, модуль упругости, износостойкость, низкий коэффициент трения. Причем в сравнении с традиционным инструментом эти характеристики наивысшие. Для инструментов на основе нитрида бора твердого эти характеристики несколько уступают алмазному инструменту, но по таким показателям, как теплостойкость и прочность особенно ударная, эти инструменты превосходят алмазные. Так, если теплостойкость алмазных инструментов не превышает 700 0С, то для инструментов на основе нитрида бора этот порог почти в два раза выше, что существенно расширяет возможности этого инструмента. При этом наивысшая работоспособность этого инструмента проявляется при достаточно высоких температурах в зоне резания.
К особенностям алмазного инструмента кроме низкого коэффициента трения с многими материалами следует отнести и высокую остроту режущей кромки (малый радиус округления). Это обеспечивает в сочетании с низким коэффициентом трения малую деформацию срезаемого слоя и обработанной поверхности, что приближает процесс алмазной обработки к условиям чистого среза. Малая деформация при высокой теплопроводности алмазного инструмента не способствуют развитию высоких температур в зоне резания. Поэтому процесс лезвийной обработки цветных металлов, пластмасс и ряда других материалов алмазными резцами можно условно назвать «холодным», так как температура в зоне резания практически не превышает 200 0С. Низкий уровень температур позволяет производить обработку, которая характеризуется отсутствием температурных превращений в обработанной поверхности, максимально сохраняя структуру основы, что часто очень важно. Отсутствие температурного влияния на обработанную поверхность позволяет снизить и влияние скорости резания на качество обработки и получать лезвийным инструментом такие показатели качества, которые ранее обеспечивала абразивная обработка и даже превзойти их. При этом алмазная обработка инструментом из синтетических алмазов позволяет обеспечить шероховатость обработанной поверхности Rа≈0,2мкм, а инструментом из природных алмазов Rа≈0,.1-0,05мкм.
Как показывает опыт в подавляющем числе случаев производительность лезвийной обработки выше, а ее себестоимость ниже, чем абразивной. Так замена шлифования точением при изготовлении резьбовых сопряжений из стеклопластиков повышает производительность обработки в несколько раз при значительном улучшении качественных и прочностных характеристик полученных сопряжений.
Алмазное фрезерование труднообрабатываемых, высоко абразивных материалов таких, как стеклопластики, углепластики, пластическая керамика и др. многократно производительнее шлифования. Особенно перспективным является замена процесса шлифования лезвийной обработкой инструментами из СТМ на основе нитрида бора при обработке деталей из закаленных сталей и чугунов.
Точение деталей из закаленных сталей резцами из нитрида бора твердого на производстве иногда называют «твердым точением». Здесь преимущества лезвийной обработки проявляются наиболее полно. Для подробного анализа преимуществ лезвийной обработки рассмотрим схемы резания при шлифовании, точении и растачивании Рис 14.и Рис. 15.
Как видно из рисунка, на котором показана схема обработки вала шлифованием и точением, площадь контакта шлифовального круга с деталью значительно превышает площадь контакта резца с деталью. Это превышение составляет десятки или даже сотни раз. В связи с этим работа резания и тепловыделение при шлифовании значительно больше, чем при точении. Таким образом локальность контакта инструмента с деталью при лезвийной обработке и ,следовательно, локальность приложения высокой температуры к обработанной поверхности является отличительной особенностью точения и фрезерования в сравнении со шлифованием.
Если сравнить длину контакта круга и резца с обрабатываемой деталью в направлении вектора скорости резания то можно увидеть, что при точении она существенно меньше. Скорость ( окружная ) детали при шлифовании меньше, чем при точении и, следовательно, время воздействия высокой температуры на поверхность детали при шлифовании больше. чем при точении. Поэтому еще одной особенностью процесса точения в сравнении со шлифованием является кратковременность воздействия высокой температуры на обработанную поверхность. Так время воздействия высокой температуры при точении на очень малую поверхность детали менее 0,0001 сек.
Таким образом, локальность и кратковременность воздействия высокой температуры на поверхность детали при лезвийной обработке являются гарантией того, что высокая температура не проникает на большую глубину и не «успевает» произвести существенные фазово-структурные изменения в поверхностном слое детали. Так, если на поверхности детали при точении резцами из нитрида бора закаленной стали температура достигает 1200 С, то, как показывают исследования, на глубине 10 мкм от поверхности она не превышает 100 С.
Рисунок 14 - Схема контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью при шлифовании и точении: Vш <Vт ; Iш > Iт ; Lш >> Lт ; Fш > Fт ; Тш > Тт ; Nш > Nт ; Aш > Aт ; Eш > Eт
Рисунок 15 - Схема контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью при внутреннем шлифовании и растачивании: Vш <Vт ; Lш < Lт ; Тш > Тт ; Aш > Aт ; Eш > Eт
Следовательно, высокие температуры, которые имеют место при точении из-за локальности и кратковременности их воздействия в очень тонких слоях детали, с учетом огромных градиентов могут приводить к аморфизации тончайшего поверхностного слоя детали, чему способствует контакт с таким интенсивным аморфизатором, каким является нитрид бора.
Как известно, наличие тонкой аморфной пленки на обработанной поверхности детали повышает эксплуатационные характеристики последней. При сравнении внутреннего шлифования и растачивания преимущества лезвийной обработки проявляются еще ярче, так как величина контакта шлифовального круга здесь больше, чем при наружном шлифовании Рис. 15. И, следовательно, теплонапряженность процесса выше. При внутреннем шлифовании из-за малого диаметра круга и малой длины его поверхности он изнашивается быстрее, что так же повышает теплонапряженность процесса резания. Если сравнить характеристики качества обработанной поверхности при шлифовании и точении, то можно увидеть, что по таким критериям, как шероховатость точение не уступает шлифованию. Так при точении закаленных сталей резцами из нитрида бора можно обеспечить шероховатость Rа = 0,3-0,4мкм. А за счет изменения геометрии лезвийного инструмента можно обеспечить и меньшую шероховатость. По такому критерию шероховатости, как относительная опорная длина профиля tp шлифование уступает точению. Сравнение остаточных напряжений в поверхностных слоях обработанной поверхности после шлифования и точения показывает, что лезвийная обработка стабильно обеспечивает получение благоприятных сжимающих напряжений в то время, как шлифование - неблагоприятных растягивающих.
Следует отметить, что при точении полностью отсутствуют прижоги, микро и макро трещины в обработанной поверхности. Фазово- структурные изменения в подповерхностном слое при точении минимальны, шаржирование поверхности отсутствует. Рассмотренные преимущества процесса точения в сравнении со шлифованием иногда игнорируются под тем предлогом, что процесс шлифования производительнее, чем точение.
Но всегда ли шлифование производительнее процесса точения? Как показывает анализ сравнения вариантов обрабатываемых поверхностей шлифование далеко не всегда производительнее точения. Так внутреннее шлифование особенно поверхностей малых диаметров многократно проигрывает процессу растачивания и только при обработке больших диаметров процессы сопоставимы. При замене шлифования на точение при обработке многих деталей из закаленной стали многократные преимущества образуются не только за счет меньшего машинного времени, но и за счет экономии вспомогательного времени. Возможность изготовления на одном станке, ликвидируя обработку на шлифовальном станке – значительно сокращает цикл обработки.
Как показывает опыт работы, особенно зарубежный, сегодня все больше деталей из закаленных сталей обрабатываются лезвийным инструментом, а не абразивным. При этом перспективно не только точение, но и фрезерование. Так, фрезерование чугунных направляющих металлорежущих станков обеспечивает высокое качество при очень высокой производительности (V ≈ 900 м/мин. при минутной подаче Sмин ≈ 200-600 мм/мин) при практически полном отсутствии тепловых деформаций.
Еще одно преимущество выгодно отличающее лезвийную обработку от шлифования – возможность отказаться от применения смазочно-охлаждающих жидкостей СОЖ. Так лезвийная обработка инструментами из синтетических сверх твердых материалов широкой гаммы обрабатываемых материалов, в том числе закаленных сталей и чугунов производится, как правило, без применения СОЖ, что значительно улучшает экологические показатели. Однако, если применение СОЖ допустимо в процессе обработки, то повышается и стойкость инструмента и оптимальная скорость обработки.
Сравнение процесса шлифования с лезвийной обработкой было бы не полным без сопоставления энергетических затрат этих процессов.
Как показывает анализ энергозатрат этих процессов, шлифование является более затратным, причем практически всегда, так как удельная работа резания и мощность, всегда больше при шлифовании. Учитывая актуальность энергозатратных подходов в оценке процесса механообработки, вывод о том, что лезвийная обработка менее энергозатратная, является весьма важным.
Таким образом сравнительный анализ процессов шлифования и лезвийной обработки позволяет сделать вывод о определенных преимуществах последнего перед первым.
Применяемые материалы.
Современные синтетические сверхтвердые материалы (СТМ) включают в себя три группы: на основе углерода (синтетические алмазы); на основе нитрида бора со структурой кубической сфалеритоподобной или вюрцитоподобной; композиционные материалы. Гексагональный нитрид бора служит исходным материалом для получения кубической и вюрцитной модификаций. Сверхтвердые материалы разделяют по твердости: природные и искусственные алмазы – до 100 ГПа; нитрид бора – до 90 ГПа; тугоплавкие карбиды, бориды, нитриды, оксиды, фосфиды - 20÷40 ГПа. Классификация СТМ инструментального назначения основана на технологии их получения:
- монокристаллы, получаемые прямой перестройкой кристаллической решетки;
- поликристаллы, получаемые высокотемпературным спеканием;
- сверхтвердые композиты на основе синтетического алмаза или нитрида бора с металлическим или керамическим связующим, получаемые при высоких давлениях и температурах и др.
Отечественные поликристаллические СТМ (ПСТМ) на основе нитрида бора были созданы и исследованы целым рядом научно-исследовательских институтов и организаций [1, 2]. Они обладают уникальными свойствами: высокими твердостью, износостойкостью, теплопроводностью, теплостойкостью, химической инертностью к черным металлам. Кубический нитрид бора состоит из атомов азота и бора в такой же пространственной конфигурации, что и алмаз. СТМ на его основе отличаются параметрами и технологией синтеза, исходным сырьем, легирующими компонентами. Известны марки СТМ на основе нитрида бора - эльбор-Р (композит 01), ПКНБ, ниборит, исмит, киборит, белбор (композит 02), композит 05 и др.
Гексагональная плотноупакованная вюрцитная модификация нитрида бора синтезирована с помощью ударных волн. Промышленное значение имеет СТМ из поликристаллических спеков вюрцитного нитрида бора без смешивания его с кубической модификацией и имеющая структуру вюрцитного и кубического нитрида бора – гексанит-Р (композит 10) или композит 10Д – двухслойные пластины с рабочим слоем из гексанита-Р. Отличительной особенностью гексанита-Р является способность работать в условиях прерывистых ударных нагрузок.
Устойчивой тенденцией является разработка сверхтвердых композиционных инструментальных материалов на основе нитрида бора:
- тибор и тибор-М, где в качестве связующего применены сплавы никеля с титаном, легированные алюминием, вольфрамом, молибденом;
- томал, содержащий помимо кубического нитрида бора нитрид и диборид титана, медь, интерметаллид (томал-10 – двухслойные пластины);
- карнибор, включающий смесь кубического нитрида бора и различных сверхтвердых порошков;
- композит на основе кубического нитрида бора и оксидной или нитридной керамики;
- композит, имеющий структуру твердого сплава, где часть кристаллов карбидной фазы заменена зернами кубического нитрида бора.
Зарубежные фирмы выпускают и активно внедряют на отечественных предприятиях инструментальные материалы на основе кубического нитрида бора. Например, фирма "KennametalHertel" применяет для оснащения режущих инструментов СТМ марок KD050, KD081, KD120, KD200, KD230, KB5625, KB5610 с содержанием нитрида бора от 50 до 90% в виде сменных многогранных пластин (СМП) с системой крепления "TopNotch".
Фирма Mitsubishiвыпускает СМП из инструментальных материалов на основе cBNмарокMBC010, MBC020 (с покрытием) и MB8025, MB835 (без покрытия).
Фирма Iscar производит СМП из аналогичной гаммы инструментальных материалов марок - IB10H, IB20H, IB10HC с покрытием TiN,IB25HCс покрытием Ti(C,N,O), IB25HA с покрытием Ti(C,N).
Фирма Sandvik применяет для своих инструментов композиты на основе нитрида бора без и с покрытием марок - CB7015, CB7020/CB20,CB7025, CB7035.
Фирма Seco использует широкую гамму аналогичных инструментальных материалов на основе кубического нитрида бора марок -CBN050C, CBN10, CBN100, CBN100P, CBN150, CBN200, CBN300, CBN300P, BN350.
Анализ режущих свойств резцов из нитрида бора.
Процесс резания инструментом из нитрида бора при обработке закаленных сталей твердостью до HRC 65 изучен экспериментально [1, 2]. Рекомендуемые диапазоны режимных параметров точения в этих условиях составляют - скорость резания 50÷200 м/мин, подача 0,02÷0,1 мм/об, глубина 0,1÷0,5 мм, работа без смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Шероховатость обработанной поверхности при выборе малых значений подач составляет Ra 0,63÷0,16. Обработанный поверхностный слой содержит остаточные сжимающие напряжения. Процесс резания характеризуется коэффициентом усадки в пределах 0,6÷1,5, силы резания с увеличением износа инструмента возрастают до 100 Н, температура резания изменяется в пределах 400÷1100 оС. Наблюдения за состоянием контактных поверхностей показали наличие активных адгезионных процессов в зоне контакта трущихся пар. Коэффициент трения нитрида бора по закаленной стали снижается с увеличением скорости скольжения и находится в пределах 0,2÷0,4.
Рекомендуемые режимы резания для резцов из инструментальных материалов на основе нитрида бора варьируются в широких пределах. Например, инструментальная фирма Seco для обработки заготовок из закаленной стали HRC 46 – 65 и инструментального материала CBN10 рекомендует глубину резания до 0,5 мм, подачу 0,05 - 0,15 мм/об, скорость резания в пределах 200 – 125 м/мин.
Фирма Sandvik для обработки заготовок из закаленной стали HRC 60 и инструментального материала CB7015 определяет подачу 0,05 – 0,15 – 0,25 мм/об и скорость резания 250 – 190 – 160 м/мин.
Аналогичные рекомендации существуют и у других зарубежных инструментальных фирм. Количественные выражения для расчета режимов резания отсутствуют.
В отечественных литературных источниках приводятся эмпирические обобщающие уравнения для расчета режимных параметров обработки заготовок из закаленных сталей резцами из нитрида бора марок эльбор-Р, гексанит-Р.
Рисунок 16 - СМП из инструментального материала на основе нитрида бора CBN10 (Seco) и CB7015 (Sandvik)
Анализируя причины недостаточно интенсивного перехода к процессу лезвийной обработки взамен шлифования там, где это целесообразно, можно сделать вывод о информационном вакууме. Очень мало работ с глубоким и подробным анализом границ и условий эффективного применения лезвийной обработки. В то же время традиционный подход к шлифованию, как окончательному методу обработки часто мешает увидеть и оценить преимущества лезвийной обработки инструментами из сверхтвердых материалов выгодно отличающие процесс лезвийной обработки от абразивной.
Одной из причин оказавших существенное влияние на широкое внедрение лезвийной обработки закаленных сталей инструментом из сверхтвердых материалов на основе нитрида бора твердого является особенность износостойкости этого инструмента.
Рисунок 17 - Зависимость длины пути резания и температуры резания от скорости резания
Как показали исследования, наивысшая работоспособность этого инструмента связана с высокими температурами в зоне резания (Т1 – Т2), а, по этому, находится в сравнительно узком диапазоне скоростей резания соответствующему этим высоким температурам Рис 17.
Поскольку высокая износостойкость-работоспособность резцов из нитрида бора твердого реализуется в полной мере в сравнительно узком диапазоне скоростей резания (V1 – V2), то выход за границы этого оптимального диапазона скоростей резания приводит к интенсивному износу режущего инструмента, что делает процесс лезвийной обработки не эффективным. Причем, что очень важно, работа с малыми скоростями резания (скоростями ниже оптимальных) сопровождается низкой стойкостью режущего инструмента, более низкой, чем твердосплавного инструмента.
Таким образом, неправильно выбранный диапазон скоростей резания при точении закаленных сталей и чугунов резцами из нитрида бора твердого может не только не дать положительный эффект, но и дискредитировать весьма прогрессивный инструмент.
Заключение
В результате выполненной работы был предложен новый технологический процесс, с заменой оборудования и режущего инструмента на более современный с пересчетом его количества
В конструкторской части пояснительной записки приведено описание работы, кинематическая схема рабочего приспособления для операции 005, расчет механизма закрепления и расчет его на точность и схема сборки.
Эффективность разработанного технологического процесса и Содержание технологического процесса отражено в технологической документации (маршрутная, операционные карты, карта эскизов и карта кодирования информации).
На основании вышеизложенных данных можно сказать, что хотя автоматизированное производство и обладает значительными капитальными затратами, оно экономически целесообразно. На разработанном участке групповой обработки деталей типа «вентилятор» увеличение производительности достигнуто за счёт применения станков с ЧПУ, что является характерным для серийного типа производства.
Список литературы
1. Метелев Б.А. Куликова Е.А. Тудакова Н.М. Технология машиностроения. Ч1: комплекс учебно-методических материалов для студенстов заочной и дистанционной форм обучения; НГТУ. Нижний Новгород, 2007 - 107с.
2. Лившиц А.В., Савченко А.А. Технологические процессы в машиностроении. Методическое пособие по курсовому проектированию. Иркутск, 2007 - 10 с.
3. Пахомов Д.С. Расчет припусков: Методические указания к выполнению практических работ и разделов курсовых и дипломных проектов для студентов машиностроительных специальностей всех форм обучения; НГТУ. Нижний Новгород, 2001 - 24с.
4. Справочник технолога-машиностроителя./Под редакцией Косиловой А.Г. и Мещерякова Р.К. В 2т. Т1. изд. 4-е. – М.: Машиностроение, 1986. - 656 с.
5. Вардашкин Б.Н., Данилевский В.В. Станочные приспособления. Справочник. В 2т. Т1. – М.: Машиностроение, 1984.
6. Основной каталог Sandvik Coromant, 2012
7. Справочник Режимы резания А.Д. Корчемкина,1995 - 455 с.
8. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с ЧПУ. В 2ч. Ч1. Нормативы времени. – М.: Экономика, 1990.
9. Пахомов Д.С. Чиненкова Е.Е. Проектирование технологических процессов обработки деталей; НГТУ. Нижний Новгород, 2014 - 168 с.
10. Методические указания по выполнению организационно-экономической части дипломных проектов для студентов специальности 1201 всех форм обучения / НГТУ; сост.: С.Б. Вдовина, Н. Новгород, 2010 – 16 с.
11. Мельников Г.Н., Вороненко В.П. Проектирование механосборочных цехов; Учебник для машиностроительных специальностей вузов/ Под ред. А. М. Дальского –М.: Машиностроение,1990. – 352с.
12. Силовой расчет и исследование условий закрепления на цанговых
разжимных оправках : методические указания / И. А. Булавин, А. Ю. Груздев – 2-е изд. – М. : МГТУ «МАМИ», 2010. – 15 с.
13.Транспортно-накопительная система Методические указания к выполнению индивидуальных работ по курсу "Основы технологии ГАП", 1995.
14. Обработка металлов резанием: справочник технолога под общ. ред. А.А. Панова - М.: Машиностроение. 1988. – 736 с.
15. Бондаренко С.Г., Чередников О.Н. и др. Размерный анализ конструкций Справочник – Киев: Тэхника, 1989.— 150 с. – Справочник специалиста.
16. Тимофеев В.Н. Расчет линейных размеров и их рациональная простановка: учебное пособие , 1978. – 90 с.
17. Чуваков А.Б. Современные тенденции развития и основы эффективной эксплуатации обрабатывающих станков с ЧПУ. Нижний Новгород: НГТУ, 2013. - 174 с.
18. Технология изготовления деталей на станках с ЧПУ. Производственное оборудование и основы программирования операций: учеб. пособие / А.Б. Чуваков; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2011. – 279 с.
19. Металлорежущие станки: учебник. В 2 т. Т. 2 / В.В. Бушуев, А.В. Еремин, А.А. Какойло и др.; под ред. В.В. Бушуева. Т. 2. — М.: Машиностроение, 2011. — 586 с.