Механическая обработка резанием восстанавливаемых деталей

Механическую обработку резанием используют в качестве подготовительной и окончательной обработки при восстановлении деталей различными способами. Механическая обработка необходима для восстановления геометрии поверхности изношенных элементов деталей, а также обеспечения номинального размера и заданной чистоты поверхности деталей после наращивания. Предварительная обработка изношенных и окончательная обработка деталей после наращивания имеют особенности, затрудняющие механическую обработку по сравнению с обработкой при изготовлении новых деталей. Такими особенностями являются:

1. трудности с выбором технологических баз, которые часто после эксплуатации имеют износы и повреждения;
2. высокая твердость и плохая обрабатываемость резанием из-за закаливания и наличия в нанесенных слоях оксидов, карбидов, шлаковых включений и других примесей.

Для обработки покрытий обычно используют точение и шлифование. Токарную обработку применяют в случае, когда припуск на обработку после нанесения покрытия превышает 0,25…0,3 мм. Шлифование применяют при твердости покрытия детали более HRC 40, либо когда необходима высокая точность обработки и малая шероховатость поверхности. Шлифование применяют после предварительной токарной обработки или нанесения покрытия.

1. Выбор технологических баз при восстановлении деталей

Базы – поверхности, линии, точки или их совокупности, необходимые для ориентации детали на станке, ее расположения в узле или изделии и измерения. По назначению базы различают на конструкторские, технологические и измерительные.

Конструкторские базы – совокупность поверхностей (линий, точек), от которых даны размеры и положения деталей и узлов при разработке конструкции машины.

Технологические базы – поверхности (линии и точки), служащие для установки детали на станке и ориентирующие ее относительно режущего инструмента.

Измерительные базы – поверхности (линии и точки), от которых измеряют выдерживаемые размеры.

Основной технологической базой является поверхность (линия, точка), которая предназначена для ориентации детали на станке, а так же в сборочной единице или машине. Например, отверстие зубчатого колеса используют при ориентации колеса в процессе сборки относительно других деталей. Оно же может служить технологической базой при чистовой обработке колеса на токарном станке.

Вспомогательные технологические базы – поверхности (линии, точки), которые необходимы при установке детали на станке, но при этом они не влияют на ее работу в машине. К ним относят центровые гнезда вала, которые используют при его изготовлении на токарных и шлифовальных станках; внутренние проточки в юбке поршня для его крепления на станках; обработанную плоскость и два отверстия в разных концах корпусной детали для ее размещения в процессе обработки.

В зависимости от вида обработки используют следующие основные виды базирующих поверхностей:

1. точение и круглое шлифование: два центровых гнезда; наружная (внутренняя) цилиндрическая поверхность и центровое гнездо; наружная (внутренняя) цилиндрическая поверхность и торец;
2. фрезерование, сверление и плоское шлифование: две перпендикулярные плоскости и точка в третьей взаимно перпендикулярной плоскости; плоскость и два отверстия; три-четыре центровых гнезда; цилиндрические поверхности для зажима детали в призмах; конические поверхности.

При бесцентровом шлифовании и развертывании самоустанавливающейся разверткой технологическими базами служат обрабатываемые поверхности деталей.

При выборе технологических баз руководствуются следующими правилами.

Использование вспомогательных баз. Так как основные технологические базы являются поверхностями соединения и поэтому изнашиваются в процессе эксплуатации, в качестве технологических баз используют вспомогательные (центровые гнезда у валов и осей; плоскость и два отверстия у корпусных деталей и др.). Вспомогательные базы проверяют и если они деформированы их исправляют.

В ряде случаев технология изготовления детали предусматривает удаление технологических баз. Для таких деталей при восстановлении создают вспомогательные базы, образуя новые центровые гнезда в самой детали или в припаянных пробках из мягкой стали. Растачивают центровые фаски на внутренних поверхностях отверстий (валиков коромысел, поршневых пальцев, шкворней поворотных цапф).

Использование основных баз. Некоторые детали вспомогательных баз не имеют, а основные изношены. В качестве технологической выбирают наименее изношенную основную базу, обрабатывают ее и, используя как основную технологическую, обрабатывают остальные поверхности. Этот способ применяют для ремонта корпусных деталей (блоков, коробок передач, корпусов редукторов, задних мостов, корпусов подшипников, ступиц и втулок).

Использование баз соединяемой детали. В ряде случаев обрабатываемую деталь более точно можно установить на станок вместе с соединяемой. Например, при расточке рабочей поверхности тормозного барабана на токарном станке. Тормозной барабан 1 (рис. 1) размещают на ступице 4. Последнюю жестко закрепляют на конусах оправки 2, установленной в центрах станка.

Рис. 1. Схема расточки на токарном станке тормозного барабана в сборке со ступицей колеса: 1 – тормозной барабан; 2 – оправка; 3 – резец; 4 – ступица колеса

Создание новых баз. В случае, когда использование баз, применяемых при изготовлении деталей, невозможно, создают новые базы. В качестве новой базы выбирают обработанные поверхности, которые связаны с поверхностью прямым (без пересчета), возможно, более точным размером. При этом необходимо совмещение установочной и измерительной баз. В противном случае точность обработки детали снижается из-за появления погрешности базирования.

Обработка при минимальном числе баз. Рекомендуется при обработке детали (подготовительная, нанесение покрытия и заключительная механическая обработка) использовать одни и те же постоянные базы. Чем больше баз используется, тем ниже точность обработки.

2. Расчет режимов механической обработки

2.1 Выбор режимов резания при шлифовании

Шлифование нанесенных покрытий производят при твердости выше HRC 40.

К основным элементам режима резания относятся: глубина резания, подача, частота вращения и скорость резания.

Наплавленные покрытия при черновом шлифовании выполняют кругами из нормального электрокорунда зернистостью 40…50, твердостью СТ…СТ1. Глубина шлифования (резания) при черновом шлифовании составляет 0,01…0,05 мм. Чистовое шлифование выполняют кругами из белого электрокорунда зернистостью 25…40, твердостью СМ2…СМ1. Глубина шлифования (резания) при этом составляет 0,005…0,01 мм.

Покрытия из сормайта шлифуют кругом 4А40СМ16К из хромистого электрокорунда, а покрытия УС-25 и ФБХ-6-2 – кругом 64С25СМ16К из карбида кремния.

Покрытия, полученные термическим напылением порошковых материалов, шлифуют при черновой и чистовой обработке кругами из нормального электрокорунда зернистостью 45…60, твердостью СМ2…СМ1. Глубина резания при черновой обработке составляет 0,01…0,03 мм, а при чистовой обработке – 0,005…0,01 мм.

При контактной приварке стальной ленты производят только чистовую обработку кругами из белого электрокорунда зернистостью 25…40, твердостью СМ2…СМ1. Глубина резания при этом составляет 0,005…0,01 мм.

Покрытия, полученные железнением, подвергают чистовому шлифованию при помощи кругов из синтетического алмаза АСП10К, АСП15К, АСП25К-50, АСП30К-50. Глубина резания составляет 0,01…0,02 мм.

Хромовые покрытия обрабатывают чистовым шлифованием с глубиной резания 0,005…0,01 мм и кругами из нормального электрокорунда зернистостью 40…50, твердостью С1…С2.

Число проходов i определяют по формуле

i = z / t,

где z – припуск на шлифование (на одну сторону), мм;

t – глубина резания, мм.

В табл. 1 приведены минимальные припуски z на механическую обработку при различных способах восстановления деталей.

Продольную подачу рассчитывают по формуле

S_п = S_д В,

где S_д – продольная подача в долях ширины круга на один оборот детали;

В – ширина шлифовального круга, В = 20…60 мм.

Таблица 1. Минимальный припуск на механическую обработку при различных способах восстановления деталей

Для деталей, изготовленных из любых материалов: при черновом шлифовании и диаметре до 20 мм, S_д = 0,3…0,5; при диаметре больше 20 мм, S_д = 0,6…0,7, при чистовом шлифовании независимо от ее диаметра S_д = 0,2…0,3. Применительно к чугунным деталям S_д = 0,75…0,85.

Окружная скорость вращения детали составляет: для чернового шлифования V_д = 20…80 м/мин; чистового шлифования V_д = 2…5 м/мин.

Частоту вращения детали можно определить по формуле

n = 1000 V_д / π D, где D – диаметр детали, мм.

Скорость продольного перемещения стола V_ст определяют по формуле

V_ст = S_п n / 1000,

где V_ст – скорость продольного перемещения стола, м/мин.

Оперативное время рассчитывают по формуле

tоп = tо + tв, где t_о – основное время, мин;

t_в – вспомогательное время, мин.

Основное время при шлифовании

t_о = L K i / n S,

где L – длина продольного хода стола, мм, при шлифовании на проход

L = l + (0,2…0,4) B, при шлифовании в упор L = l – (0,2…0,4) B; l – длина шлифуемой поверхности, мм;

К – коэффициент точности, при черновом шлифовании К = 1,1; при чистовом – К = 1,4.

Вспомогательное время t_в определяют при помощи табл. 2.

Таблица 2 Вспомогательное время при работе на круглошлифовальных станках

2.2 Выбор режимов резания при токарной обработке

Токарную обработку применяют как предварительную и окончательную операции при наплавке в случае, когда припуск на обработку после нанесения покрытия превышает 0,25…0,3 мм. При точении наплавленного слоя твердостью менее HRC 40 используют резцы с пластинками из твердых сплавов Т5К10, Т15К6, более HRC 40 используют резцы с пластинками из твердых сплавов Т14К8, ВК6, ВК8 или сверхтвердого инструментального материала гексанита-Р.

Черновое точение твердосплавного покрытия ПГ-СР2 выполняют резцами с пластинками твердых сплавов ВК6 и ВК3, а чистовое – резцами с пластинками из сверхтвердого инструментального материала гексанита-Р.

При обработке осталенных поверхностей используют пластинки из твердого сплава Т30К4.

Частоту вращения n рассчитывают по формуле (10.1). Глубину резания t при черновом и чистовом точении принимают равной припуску z на механическую обработку.

Скорость резания определяют по формуле

V = С / t^х S^у T^m, где С, х, у и m – коэффициенты;

S – подача, мм/об;

T – стойкость инструмента, мин.

Значения коэффициента С: для стальных деталей С = 41,7, для деталей из чугуна и медных сплавов С = 24,0.

Значения коэффициентов х и у: при обработке стали х = 0,18 и у = 0,27, при обработке чугуна х = 0,15 и у = 0,30.

Значения коэффициента m выбирают из табл. Б.1. (в конце статьи)

Подачу токарного резца S при черновом точении определяют по табл. Б.2 (в конце статьи)

и Б.3.

Стойкость инструмента Т выбирают из табл. Б.4. Вспомогательное время можно определить при помощи табл. Б.5. (в конце статьи)

Значения подачи токарного резца при чистовом точении в зависимости от заданной шероховатости поверхности выбирают из табл. Б.6.

Выбранные значения будут справедливы для всего интервала скоростей резания.

Оперативное время рассчитывают по формуле (2).

Основное время определяют по формуле

t_o = L i / n S,

где L – расчетная длина обработки в направлении подачи, мм;

i – число проходов.

Расчетную длину обработки в направлении подачи рассчитывают по формуле

L = l + l₁ + l ₂ + l₃, где l – длина обрабатываемой поверхности, мм;

l₁ – длина врезания инструмента, которая равна глубине резания t, мм;

l₂ – длина подхода и перебега инструмента, l₂ = 2…5 мм;

l₃ – длина проходов при взятии пробных стружек, l₃ = 5…8 мм.

2.3 Выбор режимов фрезерования

Глубину резания t (мм) выбирают в зависимости от припуска на обработку и требований чистоты поверхности. В большинстве случаев при черновом фрезеровании глубина резания составляет 2, 5, 8 мм, а при чистовом – 0,5…5 мм. При черновом фрезеровании весь припуск рекомендуется снимать за 1 проход.

В случае фрезерования шлицов на цилиндрических поверхностях глубину резания t определяют по формуле

t = (d_н – d_в) / 2,

где d_н – начальный диаметр обрабатываемой поверхности, мм;

d_в – внутренний диаметр шлиц, мм.

Расчетную длину обработки L с учетом вида фрезерных работ (фрезерование поверхностей, шпоночных пазов, шлицов и т. п.) рассчитывают по формуле

L = l + l1 + l2 ,

где l – длина обрабатываемой поверхности по чертежу детали, мм;

l₁ – величина врезания фрезы, зависящая от типа фрезы, мм;

l₂ – величина выхода фрезы, принимается l₂ = 2…5 мм. Величину врезания фрезы l₁ определяют по формуле

где D – диаметр фрезы, мм.

По таблицам Б.6…Б.10 выбирают значения подачи фрезы S₀ (мм/об) и скорость резания V_P (м/мин).

Расчетную частоту вращения шпинделя n_Р (мин^-1) рассчитывают по зависимости

n_р = 1000 V_р / π D,

где D – диаметр фрезы, мм.

По паспорту станка принимают фактическую частоту вращения шпинделя n_Ф, наиболее близкую по значению к рассчитанной.

Расчетную минутную подачу фрезы S_{м расч} (мм/мин) определяют по формуле

S _{м расч} = S₀ n_Ф .

По паспорту станка принимают фактическую минутную подачу S_м, наиболее близкую по значению к расчетной подаче.

Затем определяют фактическую скорость резания V_р^Ф (м/мин) по зависимости

Основное время Т_о (мин) на фрезерование рассчитывают по формуле

T_o = L i / S_м.

При фрезеровании сегментных шпоночных канавок, основное время рассчитывают по формуле

Т_о = h_ш l₁ / S_{м верт}, где h_ш – глубина шпоночной канавки, мм;

S_{м верт} – вертикальная минутная подача, мм/мин. Вспомогательное время Т_в определяют по формуле

Т_в = Т_ву + Т_вп + Т_ви,

где Т_ву – вспомогательное время на установку и снятие детали зависит от способа установки и крепления (табл. Б.11) (в конце статьи), мин;

Т_вп – вспомогательное время на проход (табл. Б.12), мин;

Т_ви – вспомогательное время на измерения зависит от способа измерения (назначается при наличии перехода измерений и определяется по приложению Б), мин.

Дополнительное время Т_доп определяется в процентном отношении от оперативного времени по формуле

Т_доп = К Т_о / 100,

где К – процент дополнительного времени (для фрезерных работ К =7 %).

Штучное время Т_шт (мин) определяют как сумму основного, вспомогательного и дополнительного времени

Т_шт = Т_о + Т_в + Т_доп.

Подготовительно-заключительное время Т_пз устанавливается на партию деталей, зависит от вида обработки, способа установки детали и определяется по таблице Б.12.

3. Электрохимические методы обработки деталей

К электрохимическим методам обработки относятся электроконтактная (анодно-механическая) черновая обработка, электрохимическое шлифование и доводка (полирование).

Электроконтактная черновая обработка основана на совместном воздействии электрических, тепловых и механических факторов на обрабатываемую заготовку. Инструментом является вращающийся дисковый стальной электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного тока. Деталь присоединена к положительному полюсу. В зону контакта инструмента и детали подается электролит (эмульсия).

Зона контакта дискового электрода и детали имеет повышенное сопротивление для электрического тока. Поэтому ток, проходящий через эту зону, разогревает, размягчает и даже плавит металл. Для предотвращения плавления, электрод вращается с большой окружной скоростью (15…25м/с). Электроконтактная обработка может применяться при резке металла, а также поверхностной черновой обработке наплавленных слоев.

Обработку ведут по следующему режиму: напряжение на электродах 2…3 В, сила тока короткого замыкания 300…600 А, сила рабочего тока 100…200 А, расчетная плотность тока 5…30 А/мм², давление 60…80 кПа, интенсивность съема металла 1000…10000 мм³/мин.

Способ применяют для черновой обработки наплавленных поверхностей со значительными припусками на обработку (наплавка под слоем флюса, индукционная и литейная наплавка и др.).

Электрохимическое шлифование и доводка (полирование) служат для обработки деталей, восстановленных твердосплавными покрытиями.

Токопроводящий абразивный круг соединен с отрицательным полюсом источника 7 (рис. 2) постоянного тока через скользящий контакт 2. Обрабатываемая заготовка 4 является анодом. Резистором 5 изменяют силу тока в цепи. В зону обработки подают электролит (раствор жидкого стекла, раствор хлорида натрия и карбонада натрия с антикоррозионной добавкой нитрата натрия). Абразивный круг 3 и деталь вращаются, кроме того деталь перемещается в продольном направлении. В ходе процесса происходит анодное растворение металла поверхности детали и абразивное резание. При этом основной съем металла происходит за счет анодного растворения. Для шлифования используют абразивные круги М5-5 и М5-4 на алюминиевой связке. Детали обрабатывают в два прохода (шлифованием и доводкой), которые отличаются режимами.

Рис. 2. Схема электрохимического шлифования

Режим шлифования: напряжение 20…30 В, плотность тока 20…30 А/см²; давление круга 15…20 МПа.

Режим доводки: рабочее напряжение 5…15 В; плотность тока 3…5 А/см²; давление круга 20…25 МПа. Окружная скорость круга при шлифовании и доводке одинакова и составляет 15…18 м/с.

Дальнейшее развитие получает электрохимическое шлифование с применением алмазных токопроводящих кругов. Отличие заключаются в использовании более высокой плотности тока (до 200 А/см²) и низкого напряжения (6…10 В). Применяют круги на связке МВ1, МО13Э и алмазах АСР и АСВ зернистостью 125/100 или 160/125 100 %-й концентрации. Окружная скорость круга составляет 20…25 м/с.

Производительность съема металла при электрохимическом шлифовании твердосплавных покрытий по сравнению с механическим шлифованием увеличивается более чем в 4 раза. После доводки поверхность изделия достигают 10 класса шероховатости.

Таблица Б.1 Значения коэффициента m в зависимости от вида материала детали, типа резца и условий обработки

Таблица Б.2 Подача при черновом обтачивании

Таблица Б.3 Подача при черновом растачивании

Таблица Б.4 Стойкость инструмента в зависимости от материала резца

Таблица Б.5 Вспомогательное время при точении

Таблица Б.6 Подача токарного резца при чистовом точении

Таблица Б.7 Режимы резания при фрезеровании торцевыми фрезами

Таблица Б.8 Режимы резания при фрезеровании пазов

Таблица Б.9 Режимы резания при фрезеровании шлицев на шлицефрезерных станках (черновая обработка Rz 40, 11 квалитет)

Таблица Б.10 Режимы резания при фрезеровании шлицев на шлицефрезерных станках (чистовая обработка, Ra 2,5, 8…9 квалитет)

Таблица Б.11 Режимы резания при фрезеровании сегментных шпоночных канавок

Таблица Б.12 Вспомогательное время Т_ву на установку и снятие детали

Примечание. Затраты времени для деталей массой более 20 кг приведены для условий их установки и снятия с использованием подъемно-транспортных приспособлений

Таблица Б.13 Подготовительно-заключительное время Т_пз