Твердое точение.
Твердое точение – перспективный, быстро развивающийся вид обработки тел
вращения, который зачастую является экономически более целесообразной
альтернативой шлифованию. Новые инструментальные материалы, технологии и
конструкции станков позволяют все шире внедрять этот процесс в производство.
Основными преимуществами твердого
точения перед шлифованием являются:
- гибкость;
- обработка
без СОЖ;
- большие
удельные съемы материала;
- стружка
вместо шлама.
Но наряду с преимуществами, которое дает твердое точение, оно обладает и
рядом недостатков.
Твердое точение – специфический процесс, обладающий характерными
особенностями. Влияние механических и тепловых процессов в зоне резания
приводит к возникновению следующих явлений, связанных с износом инструмента по
задней поверхности:
·
увеличение пассивных усилий резания;
·
ухудшение качества обработанной поверхности:
- увеличение шероховатости;
- возникновение остаточных напряжений в
поверхностном слое обрабатываемого
материала;
- структурные изменения в поверхностном слое
обрабатываемого материала (возникновение белых слоев).
Увеличение
шероховатости в зависимости от износа
при твердом точении.
Как показали эксперименты, при
твердом точении наблюдается зависимость шероховатости обработанной поверхности
от износа инструментального материала. С ростом износа по задней поверхности
пластины происходит увеличение шероховатости обработанной поверхности.
Изменения в поверхностном слое при твердом точении.
При твердом точении в поверхностном слое возникают остаточные напряжения
и зоны с измененной твердостью и структурой – т. н. «белый слой». Эти слои -
следствие высоких температур и быстрого охлаждения материала около зоны
резания. Основным фактором, определяющим образование белого слоя, является
износ по задней поверхности, вследствие которого происходит рост температур в
зоне резания. Струкурно белый слой – это не отпущенный мартенсит и остаточный
аустенит. Он обладает экстремально высокой твердостью и неблагоприятными
остаточными растягивающими усилиями. Из-за микроструктурных изменений
перезакаленный слой виден белым цветом при оптической термографии, а закаленные
зоны – темного цвета. Исследования подтвердили существование белого слоя на
обработанных твердым точением поверхностях. Хотя они обычно связаны с
остаточными растягивающими напряжениями на поверхности, белый слой может
говорить и об остаточных сжимающих напряжениях. С другой стороны, причины
появления белых слоев и воздействия, которое они оказывают на обработанный
материал, не ясны до конца.
Некоторые исследования показали, что использование охлаждения помогает
избавиться от белых слоев, хотя другие эксперименты свидетельствуют, что применение
СОЖ не дает эффекта, а приводит к ухудшению качества поверхности детали и к
снижению стойкости инструмента. Это говорит о том, что состояние инструмента
влияет на образование белых слоев. Новые инструментальные материалы более
приспособлены к образованию неповрежденных поверхностей без белых слоев, но с
увеличением износа инструмента эта проблема появляется снова. Это может быть
вызвано влиянием тепла, возникающего от трения на площадке износа, или с
высокими пластическими деформациями, вызываемыми ростом тепла.
Упрочняющее
накатывание.
Решением
проблемы белых слоев является упрочняющее накатывание. Этот метод обработки
позволяет создать сжимающие напряжения
в поверхностном слое, повысить твердость граничного слоя и улучшить
шероховатость.
Задачи упрочняющего накатывания:
·
повышение усталостной прочности деталей,
испытывающих знакопеременные нагрузки;
·
исключение развития коррозии в местах
возникновения трещин.
Функциональный принцип процесса заключается в комбинации трех физических
эффектов:
·
возникновение сжимающих напряжений в граничном
слое;
·
возникновение наклепа;
·
выглаживание, т.е. ликвидация микронеровностей.
Большая доля сжимающих напряжений, возникающих в процессе накатывания,
остается после его окончания. Для повышения усталостной прочности детали
особенно важны сжимающие напряжения в осевом направлении.
Инструмент для
упрочняющего накатывания.
Для упрочняющего накатывания деталей с твердостью до 65 HRC используется гидростатический
«шариковый» инструмент. Микродеформирование поверхности осуществляется
керамическим шариком со специально обработанной поверхностью. Шарик прижимается
к поверхности заготовки давлением жидкости, плавая в ней и имея возможность
вращаться в любом направлении.
Инструмент, в котором установлен шарик, обеспечивает автоматическое
постоянное восполнение жидкости и ее подачу под определенным давлением.
Ход
системы восполнения компенсирует не только допуски заготовки и ошибки
позиционирования, но и отклонения контура заготовки в направлении подачи.
В результате воздействия шарика в вершинах профиля образуются сжимающие
напряжения, которые пластически деформируют поверхностный слой детали. Материал
из вершин профиля перемещается в радиальном направлении наружу в зоны низких
сжимающих напряжений и заполняет впадины. Причем вершины деформируются, не
загибаясь во впадины, а как бы «перетекают» в них.
Оборудование для твердого точения
Требования к оборудованию для твердого
точения.
Под твердой обработкой понимается обработка закаленных
материалов резанием геометрически определенной кромкой. При реализации на
токарном станке этот метод носит название твердого точения. В зависимости от
требований процесса различают черновое твердое точение, точное твердое точение
и особо точное твердое точение. Черновое твердое точение реализуется при
глубинах обработки от 0,5 до 3
мм на скоростях резания 50 – 150 м/мин и подачах 0,1 –
0,3 мм/об и требует от станка максимальной жесткости и мощности привода, так
как усилия резания достаточно велики. При подобной обработке шероховатость
поверхности отходит на задний план. При прецизионном твердом точении глубина
резания не превышает 0,1 - 0,5
мм при скорости резания 100 – 200 м/мин и подаче 0,05 –
0,15 мм/об. Точность обработки соответствует 5 – 6 квалитету (статистически
гарантированный разброс по диаметру не превышает 10 микрон) при шероховатости
поверхности после обработки Rz
2,4 – 4. Особо точное твердое точение обеспечивает точность обработки в
пределах 3 – 4 квалитета при шероховатости до Rz 1 мкм. Глубина резания находится в
пределах 0,02 – 0,3 мм
при скорости резания 150 – 220 м/мин и подаче 0,01 – 1 мм/об.
Исходя из указанных характеристик процесса, токарный
станок для точной окончательной твердой обработки должен, как минимум, соответствовать следующим критериям:
Высокая
геометрическая точность. Выполнение этого требования необходимо, так как
при точении любая неточность направляющих, при отсутствии необходимых
компенсаций, отражается на точности обработанных деталей.
Высокая
статическая жесткость. Усилия резания при твердом точении существенно выше,
чем при обычном точении и при других методах финишной обработки, например,
шлифовании. Возникающее усилие приводит к взаимному смещению заготовки и инструмента
и, в конечном итоге, к ошибкам формы и размера.
Высокая
динамическая жесткость. Её величина во многих случаях обуславливает
возникновение вибраций при твердом точении. В результате приходится изменять
режимы обработки, что, в свою очередь, приводит к падению производительности.
Температурная
стабильность. Необходимо точно знать распределение тепловых потоков и
правильно выбирать материалы для отдельных элементов станка с тем, чтобы уменьшить влияние температурных
деформаций.
Обеспечение
свободного схода стружки. При твердом точении стружка имеет достаточно
высокую температуру, поэтому необходимо как можно быстрее вывести ее из зоны
резания, не передав при этом тепла элементам конструкции станка.
| 
