Совмещенная обработка резанием и ППД

14.1. Комбинированные инструменты для совмещенной обработки.

14.2. Выбор режима обработки и основных параметров КИ.

14.3. Использование совмещенной обработки в производстве.

14.1. Размерно-чистовая и упрочняющая обработка методом ППД является финишной и выполняется после получистовой и чистовой обработки резанием. С целью интенсификации технологических процессов все шире используется совмещение чистовой обработки поверхностей резанием под ППД с самой обработкой ППД в одну операцию с помощью комбинированных инструментов (КИ). Деление способов чистовой и отделочной обработки на две группы: резание и поверхностное пластическое деформирование не является принципиальным, так как для обеих групп образование новой поверхности связано с пластическим деформированием определенного слоя металла.

Разница состоит в том, что при обработке резанием пластическое напряженное состояние локализуется в узкой зоне у кромки режущего клина, что ведет к образованию стружки, а при обработке ППД пластическое напряженное состояние создается в значительном объеме металла, обеспечивая его безотрывное течение. Кроме того, способы обработки поверхностей резанием и ППД базируются на единых кинематических схемах и поэтому могут легко трансформироваться один в другой. Придав режущему лезвию инструмента соответствующую форму и сообщив ему дополнительную степень свободы – вращение вокруг некоторой оси, процесс резания можно трансформировать в процесс ротационной обработки ППД.

На рис. 14.1, а показаны способы обработки резанием различных поверхностей, а на рис. 14.1, б соответствующие им способы обработки методом ППД.

Связь режущего и деформирующего элементов может быть двух видов: жесткой и упругой. Применение той или другой связи определяется видом обработки. КИ с жесткой связью применяются, когда к обрабатываемой поверхности предъявляются высокие требования как к точности геометрической формы и размеров, так и к ее шероховатости, а с упругой связью – в основном для получения поверхностей с малой величиной шероховатости.

Простейшей конструкцией КИ является сочетание обычного резца с шариковым или роликовым деформирующим элементом (элементарная низшая пара). Развитием элементарной низшей пары являются многоэлементарные инструменты. Деформирующие элементы в этих инструментах могут располагаться во вставках и в сепараторах.

У КИ с элементарной низшей парой режущие элементы взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и сбегающей стружкой с большим

Рис.14.1. Схемы обработки поверхностей:

а – резанием; б – поверхностным пластическим деформированием

трением скольжения, а деформирующие элементы работают в условиях трения качения. В результате этого стойкость деформирующих элементов в десятки и сотни раз выше стойкости режущих элементов.

С целью выравнивания стойкости режущих элементов весьма эффективными являются КИ, у которых режущие и деформирующие элементы работают на основе кинематического принципа – свободного вращения вокруг своих осей. В этом случае режущий элемент выполняется в виде круглого самовращающегося резца, а деформирующим элементом является торовой ролик (элементарная высшая пара). КИ, в основу которых положена элементарная низшая пара, в дальнейшем будут называться инструментами простого действия, а базирующиеся на элементарной высшей паре – инструментами ротационного действия.

Комбинированные инструменты могут быть выполнены таким образом, что силы резания и усилия деформирования не уравновешиваются (режущие и деформирующие элементы имеют одностороннее расположение), частично уравновешиваются (режущие и деформирующие элементы имеют противоположное расположение или количество режущих и деформирующих элементов различное) и полностью уравновешиваются (количество режущих элементов равно количеству деформирующих элементов, расположены они равномерно и одинаково относительно обрабатываемой поверхности). Кроме того, комбинированные инструменты можно разделить на инструменты последовательного действия (деформирующие элементы расположены вслед за режущими элементами на некотором расстоянии) и инструменты одновременного действия (режущие и деформирующие элементы расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси вращения детали или инструмента).

Для обработки различных поверхностей деталей машин наибольшее применение нашли конструкции КИ, у которых используется элементарная низшая пара.

Следует отметить разнообразие типов деформирующих элементов, применяемых в конструкциях комбинированных инструментов: шары, дисковые торовые и цилиндрические ролики, алмазные и твердосплавные выглаживатели. Как правило, КИ имеют режущий элемент, выполненный в виде призматического резца, работающего в условиях трения скольжения, а деформирующие элементы чаще всего работают в условиях трения качения. Имеются комбинированные инструменты, у которых деформирующие элементы также работают в условиях трения скольжения.

Благодаря простоте конструкции наибольшее применение в мелкосерийном и серийном производствах находят одноэлементные комбинированные инструменты.

Конструкции КИ выполнены таким образом, что деформирующий элемент расположен сзади режущего элемента на расстоянии 25-30 мм от режущей кромки и работают они последовательно – сначала режущий, а затем деформирующий. Более производительны комбинированные инструменты, режущие и деформирующие элементы которых работают одновременно. Чтобы осуществить одновременную работу режущего и деформирующего элементов, их располагают под определенным углом друг к другу в вертикальной плоскости. В этом случае режущая кромка смещается лишь на 1-1,5 мм относительно точки контакта деформирующего элемента (рис. 14.2).

В державке 7 при помощи винта закрепляется резец 8. За резцом под некоторым углом к нему установлен деформирующий шарик 1, который может свободно вращаться на шарикоподшипнике 3, установленном во вставке 2, подпружиненной относительно державки инструмента тарельчатыми пружинами 4. Величина давления шарика на обрабатываемую поверхность устанавливается винтом 5, который после регулировки –становится контргайкой 6. Тарельчатые пружины обеспечивают равномерное усилие обкатывания по всей обрабатываемой поверхности и в значительной мере гасят вибрации, возникающие при резании резцом.

Если расположить деформирующий элемент под углом 90^о к резцу, то радиальная составляющая усилия обкатывания вызовет отжатие детали и инструмента в касательном к режущему элементу направлении и погрешности формы и размера обрабатываемой поверхности от усилия деформирующего элемента в этом случае будут незначительны (рис. 14.3).

14.2. Точность диаметральных размеров при совмещенной обработке с помощью неуравновешенных или частично уравновешенных КИ практически не отличается от точности, получаемой при раздельной обработке, когда чистовая обработка резанием под ППД и сам процесс ППД выполняются в разных операциях. Лишь при совмещенной обработке уравновешенным КИ точность диаметральных размеров повышается по сравнению с раздельной обработкой на 25-30%. Обработка такими инструментами длинномерных деталей (штоки, плунжера, скалки и т.д.) значительно повышает точность геометрической формы поверхности в продольном направлении. Так, например, при обработке комбинированным инструментом валиков диаметром 50 мм и длиной 500 мм отклонение от геометрической формы цилиндра в продольном направлении в 4 раза меньше, чем при раздельной обработке, и в 6 раз меньше, чем при совмещенной обработке неуравновешенным КИ, выполненным по схеме 14.2.

Такое заметное уменьшение погрешности вызвано значительным увеличением жесткости обрабатываемой заготовки, так как деформирующий инструмент, выполняемый в виде многоэлементной планетарной головки, играет роль подвижного люнета.

Шероховатость обрабатываемой поверхности при использовании КИ зависит от тех же факторов, что и при обработке ППД: величины натяга или усилия деформирования, подачи, исходной шероховатости, физико-механических свойств обрабатываемого материала и т.д.

Особенностью совмещенной обработки резанием и ППД является то, что регулирующие и деформирующие элементы КИ имеют одинаковую скорость

Рис. 14.2. КИ с алмазными выглаживателями:

а – с жесткой связью; б – с упругой связью

Рис. 14.3. КИ упругого действия с деформирующим шариком

обработки и минутную подачу. Поэтому при совмещенной обработке, в отличие от обработки методом ППД, скорость резания, равная скорости накатывания, оказывает влияние на шероховатость поверхности, так как из-за явления нароста она определенным образом влияет на шероховатость поверхности, обработанной режущим элементом, т.е. на исходную под накатывание шероховатость, от величины микрогребешков которой зависит величина шероховатости, получаемой после ППД.

Значительное влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности оказывает величина подачи. Это обусловлено тем, что при совмещенной обработке изменение величины подачи влечет за собой изменение исходной шероховатости, и, кроме того, величина подачи непосредственно влияет на окончательную шероховатость, получаемую после ППД. Глубина резания в диапазоне 0,2-1,0 мм не оказывает влияния на шероховатость поверхности.

Таким образом, скорость обработки следует принимать 1,3-1,5 м/с при глубине резания 0,3-0,7 мм. Так как требуемая шероховатость поверхности при совмещенной обработке обеспечивается деформирующими элементами КИ, то при выборе минутной подачи следует исходить из величины подачи, которую допускают деформирующие элементы для обеспечения заданной шероховатости.

Исходя из равенства минутных подач, количество деформирующих элементов при принятом количестве режущих элементов определяется зависимостью

где Z_д и Z_p – количество соответственно деформирующих и режущих элементов КИ; S_д и S_p – величина подачи соответственно на один деформирующий и один режущий элемент; n_д и n_p – частота вращения соответственно деформирующих и режущих элементов.

Величина подачи на деформирующий элемент, а также величина натяга или усилия деформирования выбираются в зависимости от заданной шероховатости, вида деформирующего элемента, его геометрических параметров и свойств обрабатываемого материала. Величина подачи на режущий элемент выбирается исходя из принятой исходной шероховатости и геометрических параметров режущего элемента.

Для призматического резца, имеющего радиус при вершине r>1,5 мм, когда S/2<r

где h_р – высота микрогребешков исходной шероховатости.

Для призматического резца, имеющего r<1 мм,

где j - главный угол в плане регулирующего элемента.

Расчетные значения подач, полученные по указанным формулам, следует уменьшить в 2-3 раза.

Возможное количество деформирующих элементов в сепараторном инструменте определяется по формуле

где d – диаметр ролика или шарика; m – величина перемычки между деформирующими элементами; D_ц – диаметр расположения центров деформирующих элементов относительно инструмента.

14.3. Для обработки жестких валов с отношением длины и диаметру l/D £7 применяется КИ, показанный на рис. 14.3. Применение такого инструмента позволяет получать за один рабочий ход шероховатость 0,16-0,32 мкм при следующем режиме обработки: глубина резания 1-1,5 мм, подача 0,12-0,15 мм/об, скорость обработки 1,3-2 м/с.

Для одновременного точения и накатывания валов диаметров 25-30 мм, изготовленных из сталей 20 и 35 на заводе «Ростсельмаш», применяется КИ. Совмещенная обработка валов осуществляется при усилии деформирования 1100 Н, глубине резания 2 мм, подача 0,24 мм/об и частоте вращения обрабатываемой детали 16,6 об/с. При этом достигается точность обработки 8-го квалитета и шероховатость обработанной поверхности Rа = 0,32-0,63 мкм. Внедрение совмещенной обработки позволило исключить операции шлифования и при изготовлении ряда деталей комбайна «Дон».