- регулирование длительности контакта инструмента с обрабатываемым материалом (строгание, фрезерование, фрезоточение)
- применение ротационных способов обработки
- применение смазочно-охлаждающих технологических сред (основное правило рационального применения охлаждающих сред состоит в том, что главным объектом охлаждения должен быть сам инструмент, а не стружка или заготовка; при прочих равных условиях предпочтительнее применять инструментальный материал, имеющий большую теплопроводность; инструмент с каналами для СОЖ)
- комбинирование в технологической подсистеме различных видов энергии, (при комбинировании кроме основной (механической) энергии, расходуемой непосредственно на резание, в технологическую подсистему вводят еще какую-либо энергию (тепловую, электрическую и др.) - электроконтактный нагрев (ЭКН), резания с опережающим пластическим деформированием (ОПД), нагревания заготовки при резании токами высокой частоты (ТВЧ) и плазменной дугой или струей низкотемпературной плазмы (ПН), лазерный нагрев (ЛН), который используется при чистовой обработке заготовок из весьма прочных и вязких материалов)
С целью направленного изменения температуры (выбор материала и рациональной конструкции режущего инструмента):
- регулирование размеров контактных площадок
- применение дополнительных теплоотводящих кромок и фасок
- выбор положений и размеров режущих пластин
- выбор коэффициентов теплопроводности пластин
технология механический погрешность механизм компенсация
2.5 Изнашивание элементов технологической системы
2.5.1 Общее определение изнашивания частей технологической системы
Изнашивание элементов технологической системы - это постепенное изменение их размеров и формы из-за постоянных силовых и тепловых воздействий, а значит нарушение размерных связей технологической системе и возникновение погрешностей относительного положения и движения исполнительных поверхностей.
Основные виды изнашивания:
- механическое (абразивное, эрозионное, усталостное, коррозионное, фреттинг-коррозионное и др.), возникающее в результате механических воздействий;
- молекулярно-механическое, происходящее в результате одновременного механического воздействия и молекулярных или атомных сил;
- коррозионно-механическое, обусловленное трением материала, вступившего в химическое воздействие со средой.
Величина износа и его скорость зависят от многих причин, таких как род и характер трения (покоя или движения, условия, среда), удельное давление, степень нагрева и условий, в которых протекает изнашивание, а именно форма и размеры трущихся поверхностей, качество поверхностей, материал, наличие и качество смазывающего материала, присутствие абразива и др.
Такие детали технологической системы как режущий инструмент, пуансон, поршень, направляющие станин и т.п., выполняющие непосредственно рабочие функции и подвергающиеся в большей степени силовым и тепловым воздействиям, имеют наибольшую степень износа.
2.5.2 Погрешности, связанные с неточностью, износом и деформацией оборудования
Погрешности изготовления и сборки оборудования контролируются стандартными методами проверки его геометрической точности, т.е. точности в ненагруженном состоянии.
Применительно к металлорежущим станкам, параметрами, характеризующими их геометрическую точность, являются, например, следующие:
- прямолинейность и параллельность направляющих;
- параллельность оси шпинделя к направлению движения каретки
(для токарных станков);
- перпендикулярность оси шпинделя к плоскости стола (для фрезерных станков);
- биение конического отверстия в шпинделе станка и т.д.
Указанные характеристики геометрической точности станков задаются в миллиметрах и для станков нормальной точности (станки группы Н), предназначенных для обработки заготовок средних размеров в пределах допусков IT9 составляют 0,01 - 0,05 мм. Более высокоточные станки характеризуются тем, что численные значения соответствующих параметров уменьшаются и составляют в процентах относительно значений для станков группы Н:
- станки повышенной точности (группа П) - 60%;
- станки высокой точности (группа В) - 40%;
- станки особо высокой точности (группа А) - 24%;- станки особо точные (группа С) - 16%.
Точность станков с ЧПУ выявляется дополнительно следующими специфическими проверками:
- точностью линейного позиционирования рабочих органов;
- величиной зоны нечувствительности, т. е. отставанием в смещении рабочих органов при смене направления движения;
- точностью возврата рабочих органов в исходное положение;
- стабильностью выхода рабочих органов в заданную точку;
- точностью отработки круга в режиме круговой интерполяции;
- стабильностью положения инструментов после автоматической смены.
При проверках выявляют как точность, так и стабильность, т. е. многократную повторяемость прихода рабочих органов в одно и то же положение, причем зачастую стабильность важнее для достижения точности обработки на станках с ЧПУ, чем сама точность.
Исходя из допускаемых отклонений, наибольшая погрешность в отработке перемещения, например, длиной в 300 мм по осям X и Y для станка класса П составит 17,2 мкм, а для станка класса В - 8,6 мкм.
Для сохранения станком точности в течение длительного времени эксплуатации нормы геометрической точности почти на все проверки при изготовлении станка, по сравнению с нормативными, ужесточают на 40 %. Тем самым завод-изготовитель резервирует в новом станке запас на износ.
Геометрические погрешности оборудования полностью или частично переносятся на обрабатываемые детали в виде систематических погрешностей последних.
2.5.3 Износ инструмента
Трение между стружкой и передней поверхностью инструмента и между его главной задней поверхностью и поверхностью резания заготовки вызывает износ режущего инструмента.
В условиях сухого и полусухого трения преобладает абразивное изнашивание инструмента (твердые микрокомпоненты стружки и заготовки скоблят и царапают трущиеся слои инструмента).
Высокие температуры и контактные давления вызывают другие виды изнашивания: окислительное - окисление поверхностных слоев инструмента, а затем быстрое разрушение поверхностных оксидных пленок; адгезионное - вырывания частиц материала инструмента стружкой или материалом заготовки вследствие их молекулярного сцепления; термическое - структурные превращения в материале инструмента при его нагревании.
Затупление вследствие износа инструмента, при котором происходит нарушение точности обработки, называется размерным. Кривая (Рисунок 15) характеризует протекание износа во времени. Различают три участка данного процесса:
- участок I - первоначальный - быстрое возрастание подъема кривой, где интенсивный, зависящий от качества поверхности инструмента, износ;
- участок II - нормальный размерный износ, практически пропорционально возрастает от пути обработки.
- участок III кривой - интенсивный износ инструмента, за которым следует его разрушение, то есть в конце участка нормального износа требуется замена инструмента.
Таким образом, требуемой точности возможно достичь на участке, соответствующем нормальному износу.
Рисунок 15 - Зависимость размерного износа резца от пути резания
Периоды износа:
I - интенсивный;
II - нормальный;
III - разрушение
Общий характер износа режущего инструмента на примере токарного резца представлен на рисунке 16, а. При износе резца на передней поверхности образуется лунка шириной b, а на главной задней поверхности - ленточка шириной h. У инструментов из разных материалов и при разных режимах резания преобладает износ передней или главной задней поверхности. При одновременном износе по этим поверхностям образуется перемычка f.
Рисунок 16 - Износ резца (а) и изменение размеров резца и заготовки в результате износа (б)
Износ резца по главной задней поверхности в процессе обработки изменяет глубину резания, так как уменьшается вылет резца на величину
(Рисунок 16, б). Значение износа резца пропорционально времени обработки, поэтому по мере роста значения и глубина резания t уменьшается. Обработанная поверхность получается конусообразной с наибольшим диаметром и наименьшим D.
Количественное выражение допустимого значения износа называют критерием износа. За критерий износа принимают в большинстве случаев износ инструмента по главной задней поверхности h. Для токарных резцов из быстрорежущей стали допустимый износ h = 1,5 - 2 мм, для резцов с пластинками твердого сплава h = 0,8 - 1 мм; с минералокерамическими пластинками h = 0,5 - 0,8 мм. Допустимому износу инструмента соответствует определенная его стойкость.
Под стойкостью инструмента Т понимают суммарное время (мин) его работы между переточками на определенном режиме резания. Стойкость токарных резцов, режущая часть которых изготовлена из разных инструментальных материалов, составляет 30 - 90 мин. Стойкость инструмента зависит от физико-механических свойств материала инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента и условий обработки. Наибольшее влияние на стойкость оказывает скорость резания. Между величинами V и T существует зависимость (9):
, (9)
где С - постоянная величина;
m - показатель относительной стойкости инструмента (для резцов m = 0,1 - 0,3).
Так как величина m мала, то стойкость резцов резко падает даже при незначительном повышении скорости резания. Поэтому обработку следует вести на расчетной скорости, что легко выполнимо на станках с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя. На станках со ступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя обработку ведут на ближайшей меньшей к расчетной частоте вращения заготовки. В данном случае при небольшом уменьшении скорости резания стойкость инструмента будет больше принятой. Это уменьшит время на смену затупившегося инструмента, но, как правило, не снизит производительность.
Износ инструмента приводит не только к снижению точности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей. Работа затупившимся инструментом вызывает рост силы резания. Соответственно увеличиваются составляющие силы резания, что вызывает повышенную деформацию заготовки и инструмента и еще более снижает точность и изменяет форму обработанных поверхностей заготовок. Увеличиваются глубина наклепанного поверхностного слоя материала заготовки и силы трения между заготовкой и инструментом, что, в свою очередь, увеличивает теплообразование в процессе резания.
При обработке на настроенных станках износ инструмента приводит к рассеянию размеров обработанных поверхностей заготовок, что снижает качество сборки деталей в условиях взаимозаменяемости. Уменьшить влияние износа на точность обработки можно периодической подналадкой станка [13].
В условиях процесса роста автоматизации производства, высоких требований к размерной точности изготовляемых изделий важно предусматривать контроль текущего состояния режущего инструмента. Использование диагностической системы того или иного уровня зависит от требований, предъявляемых к надежности работы станка, точности обработки, экономических показателей [15]:
Методы активного контроля состояния режущего инструмента делятся на прямые и косвенные (Рисунок 17).
1. Прямые методы измерения предусматривают непосредственное измерение параметров износа, при этом контролируется износ (по лунке, образующейся на передней поверхности), расстояние от режущей кромки до центра лунки, глубина лунки, ширина ленточки износа по задней поверхности, уменьшение объема или массы инструмента, размерный износ режущей кромки, разброс размеров деталей в партии и т.д.
Рисунок 17 - Методы измерения износа режущего инструмента
Указанные параметры могут быть определены радиоактивными, оптико-телевизионными, лазерными, электромеханическими, ультразвуковыми или пневматическими методами.
2. Косвенные методы измерения износа режущего инструмента
В связи со сложностями использования в производственных условиях прямых методов определения состояния режущего инструмента, в нашей стране и за рубежом проводились и проводятся многочисленные работы, направленные на использование возможности оценки состояния инструмента по измерению различных параметров процессов, сопровождающих резание. При использовании косвенных методов датчиками принимаются сигналы, поступающие от определенных участков инструмента, машины, заготовки и содержащие информацию о размерах и скорости износа инструмента.
Изготовленный из правильно подобранного инструментального материала режущий инструмент может иметь высокую или низкую стойкость, так как высокие режущие свойства инструмента обеспечивает не только материал, а также оптимальная геометрия и правильно проведенная технология обработки инструмента (термическая обработка, шлифование, заточка и т.д.), но и условия эксплуатации инструмента. После правильно проведенной термической обработки режущая кромка инструмента приобретает необходимую, характерную для данного инструментального материала твердость и износостойкость.