Основы обработки металлов резанием

Сущность процесса обработки металлов резанием заключается в снятии с заготовки металла (стружки) для получения изделий необходимой формы, размеров и требуемого качества поверхности (точности и шероховатости).

На большинстве машиностроительных заводов резание является преобладающим способом обработки металлов: до 40…60 % деталей машин получают в результате обработки заготовок на металлорежущих станках. Резанием обрабатывают различные материалы, свойства которых лежат в широком диапазоне: это пластичные и хрупкие материалы, металлические и неметаллические, природные и искусственные, твердые и мягкие. Выполненные при обработке резанием размеры, форма и расположение поверхностей и их шероховатость определяют фактические зазоры и натяги в соединениях деталей машин и механизмов, влияющие на их качество, технические и экономические показатели продукции.

Для нормирования точности изготовления изделий установлены степени точности - квалитеты. Квалитет - это совокупность допусков, соответствующих одинаковой степени точности для номинальных размеров. В соответствии с действующим стандартом установлено 19 квалитетов точности: 01, 0, 1, 2, 3,…, 17. Самый точный - 01, самый грубый - 17-й квалитет. Допуск квалитета обозначают буквой IT и цифрой квалитета. Номинальный размер - размер, который служит началом отсчета отклонения и относительно определяет предельные допустимые размеры (наибольший и наименьший). Допуск - это разница между наибольшим и наименьшим предельными размерами. На чертеже детали указывают номинальный размер и отклонения (верхнее и нижнее).

Для измерения и контроля размеров применяют мерительный инструмент и приборы. Простейшими и наиболее часто применяемыми инструментами являются: линейка, угломер, штангенциркуль, микрометр, глубиномер, нутромер, предназначенный для измерения внутренних размеров.

Шероховатость поверхности - это совокупность неровностей, образующих рельеф поверхности детали или заготовки, рассматриваемый в пределах базовой длины. Для численного определения величины шероховатости поверхности используют базовую линию, представляющую собой среднюю линию профиля неровностей, относительно которой рассматривают и измеряют высоту выступов и глубину впадин. Для характеристики шероховатости часто используют параметр Ra - среднее арифметическое отклонение профиля в пределах базовой длины. Величина Ra может быть в пределах от 0,008 до 100 мкм; наименьшее значение шероховатости можно получить при полировке, наибольшее - при строгании. При измерении шероховатости грубо обработанных поверхностей применяют параметр Rz - сумма средний абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубина пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины. Величина Rz может лежать в пределах от 0,025 до 1600 мкм.

Параметры шероховатости поверхности измеряют контактными методами с помощью щуповых приборов (профилографы, профилометры), приборов светового сечения, теневого сечения, растровых микроскопов, микроинтерферометров.

В процессе обработки исходная заготовка и режущий инструмент получают рабочее движение от механизмов металлорежущих станков и перемещаются относительно друг друга. Для осуществления обработки резанием необходимо сочетание двух видов движения: главного движения резания и движения подачи.

Главное движение резания – прямолинейное поступательное или вращательное движение заготовки или режущего инструмента, происходящее с наибольшей скоростью в процессе резания. Движение подачи – прямолинейное поступательное или вращательное движение режущего инструмента или заготовки, скорость которого меньше скорости главного движения резания, предназначенное для того, чтобы распространить отделение слоя материала на всю обработанную поверхность. В зависимости от направления движения подачи различают продольное, поперечное и другие движения подачи.

Наиболее распространенными видами обработки металлов резанием являются: точение, сверление, фрезерование, строгание, шлифование (рис.7).

Достоинства обработки металлов резанием: возможность придания изделиям любой формы и шероховатости; высокая точность размеров полученных деталей; невысокая энергоемкость; высокая степень механизации и автоматизации процессов обработки; универсальность процессов, обуславливающая возможность обработки разнообразных по форме и размерам деталей из различных материалов.

Недостатки: низкая производительность (точечный контакт инструмента с деталью); большие отходы металла в стружку.

Совершенствование технологии резания, модернизация металлорежущего оборудования, разработка и внедрение новых методов резания металлов являются актуальными проблемами.

Точение (токарная обработка) – обработка (наружных и внутренних) поверхностей тел вращения резанием, характеризуемая вращательным движением заготовки и поступательным движением режущего инструмента – резца (рис. 7а). Разновидности точения: обтачивание, растачивание, подрезание, разрезание. При точении заготовке сообщается главное движение резания, а инструменту – движение подачи.

Обработку металлов резанием производят на металлорежущих станках при помощи режущего инструмента, который подразделяется на две группы: однолезвийный (резцы) и многолезвийный с двумя и более режущими кромками (сверла, зенкеры, развертки и т.д.)

Станки токарной группы составляют до 50 % всего станочного парка механических цехов машиностроительных заводов и подразделяются:

- токарно-винторезные станки – наиболее универсальные станки рассматриваемой группы;

- токарно-карусельные станки применяют для обработки средних и крупных заготовок, диаметр которых превышает их высоту (зубчатые колеса, маховики);

- токарно-револьверные станки предназначены для обработки заготовок сложной формы, где требуется применение большого числа инструментов. Для закрепления большего числа инструментов используется револьверная головка. Во время работы станка инструменты вводят в процессе обработки последовательно (один за другим) или параллельно (одновременно несколько);

- токарные полуавтоматы – все движения производятся автоматически, однако установка каждой заготовки и снятие готовой детали осуществляется рабочим;

- токарные автоматы – обрабатывают различные заготовки, причем обработка ведется практически без участия рабочего, обязанности которого сводятся к перезарядке автомата на партию и периодическому контролю готовых деталей.

- сверление – широко распространенный метод получения отверстий резанием. Главное движение при сверлении – вращательное, а движение подачи – поступательное. Оба движения при сверлении отверстий на сверлильных станках сообщаются инструменту – сверлу.

Основными технологическими операциями, связанными с обработкой отверстий, являются сверление, зенкерование, рассверливание, нарезание резьбы и т.д. (рис. 7б). Все эти операции производят на станках сверлами, зенкерами, развертками, метчиками. Однако при сверлении отверстие получается небольшой точности, с шероховатой поверхностью. Поэтому предварительно просверленные отверстия обрабатывают зенкером (зенкерование) и разверткой (развертывание). Зенкерование в основном применяется для увеличения диаметра и в отдельных случаях для повышения точности отверстия и уменьшения шероховатости его поверхности. Зенкеры имеют три-четыре режущие кромки, резание производят боковыми зубьями. Для получения более точных отверстий и необходимую (малую) шероховатость поверхности используют развертки, имеющие значительное число режущих кромок.

Существуют сверлильные станки различных типов: вертикально-сверлильные, горизонтально-сверлильные, радиально-сверлильные, расточные, координатно-расточные и специальные. Станки сверлильной группы бывают одношпиндельные и многошпиндельные.

Для обработки крупногабаритных заготовок с большим числом отверстий применяют сверлильные станки с ЧПУ.

Фрезерование – процесс обработки изделий многолезвийным режущим инструментом – фрезой (рис.7в).

По сравнению с процессом точения процесс фрезерования имеет следующие особенности: в работе одновременно участвует несколько лезвий, поэтому фрезерование является более производительным способом обработки, чем точение; каждый зуб фрезы работает периодически, а корпус ее большей частью имеет значительную массу, что способствует лучшему охлаждению лезвий.

Фрезе сообщается главное вращательное движение, а обрабатываемой детали – поступательное или вращательное движение подачи.

Различают две основные группы фрезерных станков: универсальные общего назначения; специализированные. К первой группе относятся горизонтально-фрезерные, вертикально-фрезерные и продольно-фрезерные станки; ко второй – зубофрезерные, резьбофрезерные, копировально-фрезерные и др.

На фрезерных станках выполняются следующие основные работы: фрезерование плоскостей, пазов, сложных поверхностей, шпоночных канавок и зубьев шестерен.

Для обработки заготовок используют: цилиндрические, концевые, торцевые, фасонные, шпоночные фрезы. При изготовлении зубъев шестерен - модельные дисковые, пальцевые или червячные фрезы.

Строгание – для обработки длинных плоских поверхностей (рис. 7г, д). Оно выполняется при прямолинейном возвратно-поступательном движении резца или заготовки – это движение является главным. После каждого двойного хода заготовка или резец перемещаются в поперечном направлении, совершая тем самым движение поперечной подачи.

Основным недостатком обработки деталей на строгальных и долбежных станках является то, что при работе на них резание осуществляется только во время рабочего хода. Во время обратного хода резец не снимает стружку и это приводит к значительным потерям времени. Поэтому строгание характеризуется низкой производительностью и его целесообразно в крупносерийном и массовом производстве заменить фрезерованием.

В индивидуальном и мелкосерийном производстве на фрезерных станках обрабатываются различные по расположению плоскости: горизонтальные, вертикальные, параллельные, перпендикулярные и наклонные; Т-образные, прямоугольные и другие пазы и канавки; фасонные поверхности.

Протягивание – процесс обработки заготовок резанием при помощи протяжек. Размеры зубъев протяжки постепенно увеличиваются от начала её режущей части так, что при перемещении в осевом направлении относительно заготовки каждый зуб снимает стружку от 0,01 до 0,2 мм. Протяжка обычно имеет замкнутую (хвостовую) часть для крепления к ползуну станка, шейку направляющую, режущую и калибрующую части.

Различают внутреннее и наружное протягивание. Первое применяют для выполнения отверстий различных размеров (3…300 мм) и форм (цилиндрических, трехгранных, квадратных и др.); вторые – для получения прямых и спиральных зубъев, прямых и винтовых канавок, плоских и кривых наружных поверхностей, при рифлении и т.д. Отверстия под протяжку предварительно высверливают или растачивают, наружные поверхности, как правило, протягивают без предварительной обработки резанием, т.е. в черновом виде (отливки, поковки).

Протяжные станки бывают вертикальные и горизонтальные и разделяются на станки для внутреннего и наружного протягивания.

Протягивание является одним из прогрессивных и перспективных процессов механической обработки. Высокая производительность протягивания в сочетании с большой стойкостью протяжек, хорошее качество и высокая точность обработки поверхности позволяет использовать этот метод для обработки деталей средних размеров в условиях массового и крупносерийного производства, где он во многих случаях вытесняет фрезерование.

Шлифование – процесс обработки заготовок резанием при помощи шлифовального круга – инструмента, имеющего форму тела вращения и состоящего из абразивных зерен и связующего их материала (рис.7е,ж). При вращении круга наиболее выступающие из связки зерна, контактируя с заготовкой, снимают с её поверхности тонкие стружки. Большинство из них, сгорая, образуют пучок искр.

Шлифование осуществляется при больших скоростях резания (70 м/с и выше) снятием стружки с малой площадью сечения. В связи с этим, а также невыгодными углами резания температура в рабочей зоне достигает 1500 С.

Обработка шлифованием в большинстве случаев является чистовой и отделочной операцией, обеспечивающей высокое качество обработанной поверхности и точность обработки. В некоторых случаях шлифование применяется для предварительной обработки заготовок, обдирки при снятии слоя до 6 мм.

Процесс шлифования обычно осуществляется при помощи трех движений: вращения шлифовального круга, вращения или возвратно-поступательного перемещения обрабатываемой детали и движения подачи, осуществляемого кругом или обрабатываемой деталью.

В группу шлифовальных станков входят круглошлифовальные, внутришлифовальные, обдирочно-шлифовальные, специализированные (зубошлифовальные, бесцентро-шлифовальные, копировальные и др.), заточные станки для режущих инструментов, притирочные и полировальные.