Методы механической обработки без снятия стружки

Выражение «обработка металла без снятия стружки» все чаще служит общим названием новых методов холодного деформирования металла для получения готовых изделий или близких к ним по форме и размерам заготовок, требующих минимальной последующей обработки резанием.

Некоторые процессы холодной обработки стали, такие, как волочение проволоки, прутков и труб, холодная высадка, чеканка и обычная штамповка и вытяжка, известны давно. Но наряду с этим получили развитие и новые производственные методы, связанные с большими деформациями металла в процессе обработки.

СНИЖЕНИЕ СТОИМОСТИ

Экономичность обработки заключается не в удалении металла в виде стружки, а в придании изделию требуемой формы путем соответствующей пластической деформации заготовки.

Растущая популярность и расширение области применения методов обработки без снятия стружки, равно как непрерывное развитие техники пластической деформации металлов, объясняются главным образом открывающимися при этом возможностями уменьшения расхода материалов, снижения времени обработки и стоимости рабочей силы. Экономия материалов, которая может иметь существенное значение даже при использовании обычных металлов, становится еще более важной, когда изделия изготовляются из новых, более прочных и более дорогих металлов и сплавов, применяемых при производстве сверхзвуковых самолетов, управляемых снарядов и спутников Земли. Эти материалы, как правило, трудно поддаются механической обработке, а требования производства по сокращению времени изготовления изделий обычно очень высокие. Следует учесть, что эти труднообрабатываемые материалы, несомненно, найдут применение и в других отраслях машиностроения.

В автомобилестроении около 45% стоимости готовой продукции приходится на материалы, 35% составляют накладные расходы и 20% идут па покрытие расходов по рабочей силе. Поэтому экономия в материалах оказывает существенное влияние на стоимость продукции. Непроизводительные расходы материалов в виде стружки при некоторых операциях резания достигают 70%, тогда как при пластическом деформировании они уменьшаются до нескольких процентов или могут быть полностью исключены. В этом случае экономия металлов обычно составляет 50% и более.

Для обработки металлов без снятия стружки требуется сравнительно меньшее количество машин, чем при резании металлов, в результате чего получается дополнительная экономия средств на капитальных вложениях на оборудование.

КАКИЕ ПРОЦЕССЫ ОТНОСЯТСЯ К ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ БЕЗ СНЯТИЯ СТРУЖКИ

В тех случаях, когда литейные процессы (литье в землю, центробежное литье, литье в постоянные формы, литье под давлением, литье в гипсовые формы, литье по выплавляемым моделям, в оболочковые формы и т.д.) и процессы горячего пластического деформирования (выдавливание, штамповка, высадка, гибка, вытяжка и т.д.) обеспечивают получение изделий требуемой формы, они могут быть также отнесены к процессам металлообработки без снятия стружки. Однако эти процессы давно известны и поэтому не рассматриваются.

Горячая обработка металлов давлением находит широкое применение благодаря тому, что для нее требуется минимальное количество энергии, идущей на формообразование изделий, и она позволяет осуществить наибольшее преобразование формы заготовки. Однако горячая обработка имеет тот недостаток, что в процессе ее происходит окисление поверхности или образование окалины, что снижает качество поверхности и размерную точность изделия. Кроме того, тепло от заготовки .передается на инструмент, что сокращает срок службы последнего. Одним из решений этих проблем является применение импульсных методов обработки, позволяющих до минимума сократить время образования окалины и передачи тепла инструменту.

В книге рассматриваются в основном методы холодной обработки стали и главным образом новые процессы, которые могут быть использованы для изготовления изделий вместо процессов резания. Поэтому здесь совсем не рассматривается обработка листового материала: вытяжка, штамповка резиной, гибка и другие операции, применяемые при холодной листовой штамповке.

Не рассматриваются также процессы холодного волочения, предназначенные для обработки горячетянутых стальных прутков, труб, проволоки или полос различного сечения посредством протягивания их через фильеры или между валками. Эти процессы не рассматриваются еще и потому, что они в основном предназначены для получения полуфабрикатов, а не готовых изделий и осуществляются они на металлургических заводах. Не рассматривается здесь также изготовление бесшовных труб прокаткой на конической оправке, носящей название процесса «Рокрайт», разработанного фирмой «Тьюб редьюсинг корпорейшен», и метод «Флотружен», разработанный фирмой «Флотружей» и заключающийся в протягивании труб при помощи фасонной оправки для получения изделия со стенками переменной толщины. Не рассматривается применение многороликовых регулируемых вытяжных головок для изготовления квадратных, прямоугольных и фасонных прутков, так как это тоже является одним из основных процессов, выполняемых на метал­лургических заводах.

Из новейших процессов детально разбираются следующие: накатка шлицевых валов и шестерен, ротационное выдавливание, внутреннее профилирование ротационной ковкой, радиальная ковка, холодное прессование многоступенчатых валов, холодное выдавливание и импульсная, или высокоэнергетическая штамповка, включая обработку взрывом. Отдельные главы посвящены также хорошо известным процессам холодной высадки, накатки резьбы и ротационной ковки, имеющим немаловажное значение в современной практике обработки металлов без снятия стружки.

Обработки металла без снятия стружки

К методам пластического деформирования поверхности следует отнести накатывание резьбы, клейм, шлиц, зубчатых колес, рифлений, дорнирование отверстий, обкатывание и раскатывание поверхностей и дробеструйную обработку.

--Накатывания резьбы

Накатывание наружной резьбы (например на болтах, винтах, шпильках) в холодном состоянии получило распространение на заводах с большим выпуском изделий. С этой целью выпускаются резьбонакатные станки.

На рис. 398, а и б показаны две схемы накатывания наружной резьбы: роликами и плоскими плашками. На схемах стрелки показывают сочетающиеся движения. На основе этих схем работают современные резьбонакатные станки, включая станки-автоматы, созданные для накатывания мелких резьб на деталях диаметром от 2 до 25 мм.

Рис. 398. Накатывание наружных резьб: а — резьбовыми роликами; б — плоскими плашками

В качестве накатывающего инструмента применяются в схемах накатные ролики или плоские плашки, изготовляемые, как и другие типы инструментов, для обработки давлением, из легированных сталей марок ХВГ, 9ХС, ШХ15 и 5ХНМ или высокоуглеродистых инструментальных сталей У10А и У12А.

Эти способы обработки отличаются весьма высокой производительностью. Накатывание резьбы плашками по производительности выше нарезания резьбовыми головками в 9 раз, а в сравнении с резьбофрезерованием в 30 раз. Станок-автомат для накатывания резьбы диаметром 2 мм плоскими плашками имеет производительность 3600 шт/час и дает точность по 2-му классу, а чистоту по 8 — 9-му классу.

Большим достоинством накатанной резьбы является уплотнение профиля нитки. Микротвердость накатанной поверхности нитки повышается в 2 раза, а усталостная прочность резьбы повышается на 25%.

Процесс накатывания резьбы производится при смазке под большим давлением. В качестве смазки применяются веретенное и машинное масла.

--Накатывание рифлений

Накатывание рифлений может быть прямым, угловым и сетчатым и может выполняться как на цилиндрических поверхностях так и на плоских.

Накатный инструмент типа накатных роликов, установленных в державке, применяется так же, как и при накатке резьбы. Обычно такого вида обработка выполняется на металлорежущих станках, например, накатывание рифлений на плоскостях — на поперечно-строгальных станках свободно вращающимся роликом при принудительной подаче заготовки; на горизонтально-фрезерных станках принудительно-вращающимся роликом; накатывание рифлений на телах вращения производится на токарных и револьверных станках свободно вращающимся роликом.

На рис. 399 показаны типы рифлений и схемы накатывания роликами: прямого рифления на цилиндрической поверхности, сетчатого рифления на цилиндре и углового рифления на плоскости. Прямое и косое рифления осуществляются одним накатным роликом, а сетчатое обычно накатывается двумя роликами, установленными в одной державке.

Рис. 399. Накатывание рифлений: а — прямых; б — сетчатых; в — угловых; г — виды рифлений.

В зависимости от обрабатываемого материала, шага и глубины рифлений накатка производится за 5 — 8 последовательных проходов.

Наибольшее применение накатка рифлений получила при обработке мелких рукояток, валиков с мелкими шлицами, втулок, мелких зубчатых колес и т. п. деталей приборов и электрических машин.

Накатывание клейм, подобно накатыванию рифлений, производят закаленными роликами для клейм, а накатывание зубчатых колес производят закаленными роликами — эталонами зубчатых колес.

--Калибрование (дорнирование) отверстий

Схемы обработки дорнированием показаны на рис. 400, а, б и в. Короткие отверстия калибруются на прессах путем проталкивания оправки (пуансона) или шарика, а отверстия с отношением длины к диаметру l / d > 8 протягиваются калибрующим пуансоном на протяжных станках.

Рис. 400. Калибрование (дорнирование) отверстий: а — шариком; б — оправкой; в — протягиванием пуансона; г — упругие и остаточные деформации: 1 — деталь; 2 — шарик; 3 — оправка; 4 — пуансон.

При дорнировании появляются в металле упругие и остаточные деформации (рис. 400, г). В результате дорнирования диаметр обработанного отверстия увеличивается против исходного за счет остаточной деформации, но все же становится меньше, чем диаметр калибрующего инструмента, за счет действия упругой деформации.

σу = D — d (упругая деформация),

σо = d — d1 (остаточная деформация).

Калибрование отверстий требует достаточно точной и чистой предварительной обработки. При этом условии и двух-трехкратном калибровании чистота поверхности улучшается, для чугуна примерно на 1 класс, для стали — на 2 класса и для бронзы — на 3 класса. Точность отверстия после дорнирования повышается на 30%.

Процесс обработки калибрующим инструментом должен производиться при обильной смазке. В качестве смазывающих жидкостей рекомендуется при обработке стали машинное, веретенное, касторовое и осерненное масла, а при обработке чугуна — керосин, и мыльная вода

--Обкатывание и раскатывание поверхностей

Обкатывание и раскатывание следует производить после чистового точения или другой аналогичной обработки, и тогда оно может заменить шлифование для незакаленных поверхностей.

Под влиянием обкатывания или раскатывания происходит, кроме того, наклепывание поверхности, повышающее ее износостойкость. Обкатывание наружной поверхности приводит к некоторому уменьшению размера, а раскатывание внутренней — к увеличению.

На рис. 401 показаны схемы обкатки и раскатки поверхностей роликами и шариками. Из схем следует, что обработка обкатыванием и раскатыванием применима для цилиндрических, фасонных и плоских поверхностей, галтелей, поперечных и продольных канавок. Но так как процесс обработки сопровождается значительными давлениями, то поэтому рекомендуется применять многороликовый инструмент, при котором действие сил уравновешивается. Однороликовыми обкатками можно пользоваться, но только при очень жесткой конструкции детали.

Рис. 401. Обкатывание и раскатывание поверхностей: а — обкатывание цилиндрической поверхности; б — обкатывание фасонной поверхности; в, г — раскатывание отверстий роликами и шариками.

Оборудованием для обкатывания и раскатывания поверхностей роликами и шариками являются обычно универсальные металлорежущие станки: при обкатке наружных поверхностей вращения — токарные, револьверные и карусельные станки; при раскатке отверстий — сверлильные и револьверные, а при обкатке плоскостей — поперечнострогальные.

Выпускаются специальные токарно-накатные станки, на которых производится обточка деталей и следом за этим обкатывание (например обработка колесных пар).

Процесс обработки этим методом проводится при обильной подаче в зону обкатки смазывающе-охлаждающей жидкости и заканчивается обычно в два-четыре прохода. В среднем этот метод обработки дает повышение точности на 15%, а повышение чистоты — на 2 — 3 класса.

Искусственное образование наклепа на поверхности, обработанной режущим инструментом, изменяет физические свойства поверхностных слоев металла; повышает твердость, упрочняет их, создает более благоприятное распределение остаточных напряжений и повышает сопротивляемость кристаллических зерен разрушению.

Из этих соображений производится наклепывание поверхностей путем многократных, следующих один за другим, ударов по ней шариков, находящихся под действием центробежной силы. На рис. 402 показаны схемы наклепывания наружной и внутренней поверхностей, производимого на металлорежущих станках при помощи шариковых наклепывающих головок.

Рис. 402. Наклепывание поверхностей шариками: а — наружной; б — внутренней.

Рекомендуется проводить процесс наклепывания поверхности при окружной скорости диска головки 10 — 40 м/сек и подаче 0,02 — 0,2 мм/об; при этом необходимо применять (на ходу через 5 — 10 мин) смазку шариков смесью из 60% веретенного масла и 40% керосина, а поверхность детали смачивать чистым керосином. Припуск на обработку наклепыванием не оставляется. Твердость наклепанного слоя повышается до 60%.

--Дробеструйная обработка деталей

Наклеп дробью механически и термически обработанных готовых деталей производится в специальных установках, названных дробеструйными камерами. В такие камеры помещаются обрабатываемые детали в зависимости от их конфигурации в движущемся или же неподвижном состоянии и на них подается поток дроби с большой скоростью (60 — 100 м/сек).

Диаметр дроби берется в пределах 0,5 до 2 мм. Разброс дроби осуществляется лопатками быстровращающегося ротора. Обычно ротор делается диаметром 200 — 500 мм и вращается со скоростью 200 — 3500 об/ мин.

Дробеструйные камеры оборудуются элеватором производительностью 150 кг/мин на каждый ротор для подъема дроби, сепаратором для выбрасывания расколовшихся дробинок, механизмом для автоматического пополнения системы свежей дробью, пылеулавливателем для отсоса продуктов абразивного износа и мощной вентиляционной системой.

Продолжительность дробейструйной обработки на практике колеблется от нескольких секунд до нескольких минут.

Дробеструйная обработка позволяет получить глубину наклепа до 1мм и повысить твердость поверхностного слоя металла (например, стали 20 на 40%, стали 45 на 20%). Чистота поверхности после дробеструйной обработки несколько снижается, а в лучших случаях сохраняется на уровне, предшествующем обработке.