Основные этапы технологического процесса изготовления РИ

ТП изготовления РИ в общем виде имеет следующую последовательность: 1) получение заготовки, включая операции отрезки, ковки, литья, штамповки, сварки и др.; 2) отжиг после горячей обработки; 3) обработка технологических баз; 4) обработка заготовки РИ для придания ей формы близкой к окончательной, а также обработка посадочных мест и элементов крепления; 5) обработка стружечных канавок или мест под режущие пластины или ножи; 6) обработка затылка зуба РИ (эта операция иногда совмещается с обработкой стружечных канавок); 7) обработка отверстий для подвода СОЖ; 8) термическая обработка;

9) исправление или обработка технологических баз после ТО; 10) проверка или исправление посадочных мест у сборного инструмента; 11) сборка РИ (для сборного РИ); 12) затачивание передней поверхности РИ и шлифовка стружечных канавок и спинок зубьев у цельных РИ; 13) шлифование профиля зуба инструмента и посадочных мест РИ; 14) шлифование задней поверхности зуба РИ; 15) обработка стружкоделительных и стружкозавивающих канавок;

16) доводка передней и задней поверхностей; 17) контроль геометрических и конструктивных параметров РИ; 18) упрочнение поверхностного слоя режущей части инструмента (например цианированием, электроискровым легированием, износостойкими покрытиями и др.).

В зависимости от конструкции режущего инструмента, принятого метода обработки, типа производства и применяемого оборудования, технологический процесс изготовления режущего инструмента может включать в себя все перечисленные операции или их часть. Разработанные типовые технологические процессы изготовления режущего инструмента позволяют применять для разработки технологического процесса изготовления РИ САПР ТП РИ.

В целом задача оснащения технологического процесса режущим инструментом решается по следующему алгоритму (рис. 2),

 

где САПР РИЦ (1) – САПР РИ цельного (определение дополнительных исходных данных); САПР РИЦ (2) – САПР РИ цельного (непосредственное проектирование и расчёт РИ); БД – базы данных; РИН – стандартный режущий инструмент; РИОН – режущий инструмент по отраслевым нормалям; РИСС – режущий инструмент специальный (ранее спроектированный); РИСК – по режущему инструменту хранящемуся на складе; САПР ТП РИ – САПР технологических процессов изготовления РИ; САПР УПС РИ – САПР управляющих программ станков с ЧПУ для изготовления РИ; графика РИ – выполнение чертежей РИ либо на графопостроителе, либо вручную.

После разработки нового технологического процесса изготовление режущего инструмента необходимо определить его экономическую эффективность по сравнению со старым.

Расчет годовой экономической эффективности от внедрения новой технологии изготовления режущего инструмента осуществляется по зависимости:

 

Э=[(С₁+Е·К₁)-(С₂+Е·К₂)]·А_Н2 ,

 

где С₁, С₂ – себестоимость единицы продукции соответственно до и после внедрения новой технологии;

Е – отраслевой нормативный коэффициент эффективности капитальных затрат, Е – показывает какая часть капитальных затрат расходуется в год на выполнение запланированных мероприятий. Для инструментального производства Е = 0,17;

Величина обратная Е означает количество лет, в течение которых вложенные капитальные затраты полностью окупаются: 1 / Е = 1 / 0,17 ≈ 6 лет.

К₁ и К₂ – удельные капитальные затраты на единицы продукции соответственно до и после внедрения новой технологии;

А_Н2 – годовой выпуск режущего инструмента по плану второго года выпуска режущего инструмента после внедрения новой технологии изготовления режущего инструмента в штуках.

 

4. Материалы для изготовления режущего инструмента и требования, предъявляемые к ним

 

В настоящее время основными инструментальными материалами являются:

1. Инструментальные стали (углеродистые, легированные, быстрорежущие (БРС)) и дисперсионно-твердеющие стали.

2. Твердые сплавы.

3. Минералокерамика.

4. Сверхтвердые материалы (СТМ) (естественные и искусственные алмазы, материалы на основе кубического нитрида бора, например эльбор-р и др.).

Качество инструментов в существенной мере зависит от инструментального материала. Так, например, в результате применения новых инструментальных материалов примерно каждые 10 лет скорость резания возрастает в 2 раза (табл. 2).

Таблица 2

ИМЭ	Углеродистая сталь	БРС	Твёрдые сплавы	CTM	Минерало- керамика
Год изобретения
Скорость резания, м/мин	5-7	20-40	100-250	700-900	1500-2000

 

Путь, проходимый резцом из быстрорежущей стали по обрабатываемому материалу (конструкционная сталь) до затупления, составляет около 8 км., из твердых сплавов – 20-50 км., из сверхтвердых материалов – 2500-3000 км.

На выбор инструментальных материалов влияют вид и тип инструмента, его размеры, условия его работы и технология его изготовления.

На технологию изготовления режущего инструмента большое влияние имеют технологические свойства инструментального материала в холодном и горячем состоянии. Одно из этих свойств – шлифуемость инструментального материала. Шлифуемость определяется отношением объема сошлифованного материала (Q_см) к объему изношенного при этом шлифовании шлифовального круга (Q_шк):

n = Q_см / Q_шк.

С достаточной для практики точностью установлена зависимость между шлифуемостью большинства марок быстрорежущих сталей и их химическим составом. Если принять шлифуемость быстрорежущей стали Р18 за единицу (n=1 – наилучшая шлифуемость), то шлифуемость для других марок быстрорежущих сталей расчетным путем можно определить по величине коэффициента K, определенного по формуле:

^,

где W - вольфрам, Мо - молибден, V - ванадий, N_b - ниобий, С - углерод (все элементы в процентах по массе, содержащейся в данной марке быстрорежущей стали). По табл. 3 по рассчитанному К можно определить шлифуемость БРС.

Таблица 3

K	7.8 – 18	7.5 – 7.8	6 – 7.5	3.5 – 6	1.7 – 3.5	0.2 – 1.7
n	0.9 – 1	шлифуемость уменьшается 0.7 – 0.85	0.6 – 0.7	0.45 – 0.6	0.3 – 0.45	0.2 – 0.3

 

Например, для быстрорежущей стали Р6М5Ф3 (W – 6,2%, Мо – 5,7 %,

V – 2,5 %, N_b – 0%, С – 1%) К = 4,26, что примерно соответствует n = 0,5 т.е. шлифуемость этой стали хуже чем у стали Р18 в 2 раза.

На шлифуемость быстрорежущей стали кроме химического состава оказывают влияние размеры карбидов и их распределение по объёму металла. Например, у дисперсионно-твердеющих сталей Р6М5К5МП (МП - мелкий порошок), карбиды распределены равномернее по объему, чем у Р6М5К5, а размер карбидов составляет 2-3 мкм, тогда как у обычной быстрорежущей стали Р6М5К5 12-13 мкм. Вследствие этого шлифуемость дисперсионно-твердеющих сталей по сравнению с обычными сравнительно лучше. Марки сталей с низкой шлифуемостью, то есть при n < 0,4 – 0,6 не рекомендуется использовать для изготовления режущего инструмента: так как доля шлифовальных и заточных работ при изготовлении инструмента в технологическом процессе велика, то это приводит к значительному увеличению трудоемкости при изготовлении режущего инструмента; также возможно образование прижогов на шлифуемой поверхности этих сталей, что ведет к снижению стойкости режущего инструмента (доля стоимости шлифования и заточки в общей стоимости изготовления режущего инструмента составляет примерно 50-60%).

Требования к свойствам инструментального материала зависит от условий работы инструмента, например, сверла из быстрорежущей стали диаметром меньше 3 мм. выходят из строя вследствие их поломки в 50% случаев из-за возникающих у них напряжений изгиба и кручения.

Инструментальная сталь может поставляться в следующем виде: в виде прутков круглого, прямоугольного или квадратного сечений, листа, поковки, отливки, специальных профилей и биметаллических прутков.

По способу изготовления прутковую сталь подразделяют на кованую, горячекатаную, холоднотянутую шлифованную (серебрянка) и нешлифованную. Наименее точны по размерам заготовки из кованой стали. Поэтому их применяют для изготовления режущего инструмента крупных размеров, а наиболее точны по размерам – серебрянка.

Горячекатаные прутки имеют значительное отклонение по диаметру и геометрической форме. Их следует применять в единичном и серийном производстве на универсальном оборудовании с ручным закреплением заготовок в патроне или приспособлении.

Прутки холоднотянутые нешлифованные имеют хорошее состояние поверхности, малое отклонение от номинала по диаметру и форме, что позволяет существенно уменьшить припуски на последующую обработку режущего инструмента из этих заготовок.

Прутки холоднотянутые шлифованные (серебрянка) изготавливают 8 – 9 квалитета, на их поверхности отсутствует обезуглероженный слой, припуски минимальны или равны нулю. Однако серебрянка дорогая, поэтому её целесообразно использовать только в условиях крупносерийного или массового производств преимущественно малогабаритного режущего инструмента (диаметр меньше или равен 12 мм).

В настоящее время широко используется быстрорежущие стали Р6М5 и Р6М5К5, которые поставляются на заводы в отожженном состоянии с твердостью от 207 до 293 НВ.

Быстрорежущие стали проверяют на микроструктуру, карбидную неоднородность, обезуглероженность, теплостойкость, трещинообразование. Карбидная неоднородность характеризуется неравномерным распределением карбидов по объему материала, что резко снижает механические свойства быстрорежущей стали, повышает её склонность к трещинообразованию, выкрашиванию и поломке инструмента. Карбидную неоднородность проверяют путем сопоставления изготовленного шлифа с эталоном. Установлена 8-бальная шкала карбидной неоднородности (8-наихудшая). Режущий инструмент рекомендуется изготавливать с карбидной неоднородностью не выше шестого балла, а зуборезный, резьбонарезной и протяжки – в пределах 1-3 баллов. Карбидная неоднородность уменьшается путем увеличения числа проковок и уменьшения размеров заготовок.

Глубина обезуглероженного слоя не должна превышать 1% от диаметра заготовки, ±0,5 мм.

 

5. Заготовительные операции для РИ

 

К ним относят:

1) правка прутков или проволоки;

2) отрезка;

3) формирование заготовок РИ пластическим деформированием

4) обработка торцов и центрирование заготовок стержневого инструмента.

При необходимости выполняют сварку. При этом необходимо стремиться к высокой производительности и качеству заготовительных операций, приближению размеров заготовки к размерам готовой детали.

5.1. Правка прутков производится на правильно – калибровочных станках с точностью 0,5 – 0,9 мм на погонный метр их длины перед их разрезкой на заготовки нужной длины, которые в свою очередь иногда также подвергают правке.

Правка прутков и проволоки, поставляемых в бухтах, производится на правильно-отрезных станках с точностью 0,5 – 0,7 мм/м. Правка прутков и заготовок разных профилей в поперечном сечении длиной до 2 м производится на прессах, а круглых заготовок длиной до 2 м – на накатных станках плоскими плашками с точностью от 0,05 – 0,1 мм/м.

Правка прутков позволяет существенно уменьшить припуск на последующую операцию механической обработки и исключить возможную поломку зажимных механизмов станка.

5.2. Отрезка заготовок из прутков осуществляется на ножовочных, фрезерно-отрезных, токарно-отрезных, абразивно-отрезных, ленточно-отрезных станках, эксцентриковых прессах, лазерах.

Отрезка заготовок характеризуется производительностью, качеством, а также себестоимостью отрезки. Однако в отличие от обычных операций механической обработки (например точение, фрезерование и др.) производительность отрезки чаще оценивают не объемом металла, снятого в единицу времени, а площадью разрезаемого сечения в единицу времени (т.е. в см²/мин), называемого коэффициентом производительности резки:

q = F/T,

где F - площадь поперечного сечения отрезаемой заготовки в см²;

Т - время отрезки в минутах.

· Достоинствами ножовочных станков (например, мод. 8Б72К, 8Б72 и др.) являются универсальность и простота их обслуживания, небольшая себестоимость операции отрезки, сравнительно малая величина отходов материала в стружку (ширина реза ≈ 2,5-3 мм).

К недостаткам этих станков относят сравнительно низкую производительность и точность отрезки, а также низкую стойкость ножовочных полотен.

· На фрезерно-отрезных полуавтоматах моделей 8В66 и 8А641 круглой фрезой наружным диаметром 700 мм разрезают прокат диаметром до 240 мм.

Этот способ производительнее и точнее отрезки на ножовочных станках, но происходят большие потери материала в стружку (ширина реза более 6 мм), что делает этот способ мало эффективным при разрезке дорогостоящих инструментальных материалов.

· В условиях единичного и мелкосерийного производства отрезку заготовок для РИ диаметром до 50 мм делают, как правило, на токарных или револьверных станках, а в массовом производстве на специализированных или специальных токарно-отрезных станках, а также на одно- или многошпиндельных токарных автоматах. При этом способе одновременно с отрезкой на одном из торцов заготовки могут получить требуемый профиль, а на другом – торец последующей заготовки (рис. 3), например, при отрезке заготовок для сверл:

·
Отрезка на абразивно-отрезных станках осуществляется на полуавтоматах и автоматах. Это наиболее универсальный и производительный метод, т.к. позволяет отрезать заготовки из материалов различной твердости.

Однако, при отрезке заготовок диаметром более 100-120 мм возможно заклинивание отрезного круга и его поломка.

Ширина реза для этого способа примерно 2 - 3 мм. Кроме того, на поверхности реза под действием высоких температур возникают прижоги.

· Ленточно-отрезные станки с бесконечным ножовочным полотном толщиной 1,5 – 2 мм применяют для отрезки заготовок диаметром до 250 мм. Однако при этом ограничена длина отрезаемой заготовки расстоянием между пилами (рис. 4, размер В).

 

 

· Наиболее производительным способом отрезки прутков диаметром до 40 мм является рубка на эксцентриковых прессах (ножницах).

Однако, при этом способе возникает смятие участков, прилегающих к торцу заготовки (рис. 5), что может быть исправлено дополнительной последующей обработкой:

а – смятие заготовки по длине от 3 … 10 мм;

в – смятие заготовки по диаметру от 0,3 … 1,2 мм;

с – перекос торца от 0,1 … 0,2 мм.

Кроме того, некоторые материалы, например быстрорежущие стали при холодной рубке склонны к образованию трещин и расслоению. Обычно рубку применяют лишь для получения заготовки под ковку и штамповку, и кроме того некоторые материалы.

· За последнее время всё более широко применятся лазерная отрезка заготовок как прутковых так и листовых, которая основана на локальном плавлении и сгорании материала и его удалении из зоны резки под действием силы тяжести или струей газа, подаваемой в зону резки. Например, пруток Ø 50 мм разрезается лазером за время от 5 до 10 сек. с шириной реза 0,6 -1 мм. Эффективность лазерной резки значительно повышается при подаче в зону резки активного газа, (например: кислорода или просто воздуха). При лазерной разрезке листового материала широко применяются координатные столы с ЧПУ. Иногда лазерное излучение направляют в зону резания обычного РИ с целью нагрева зоны резания и облегчения тем самым процесса резания, особенно труднообрабатываемых материалов.

5.3. Формообразование заготовок РИ пластическим деформированием

В зависимости от типа производства применяют следующие способы получения заготовок пластическим деформированием:

1) свободная ковка;

2) штамповка;

3) редуцирование;

4) продольно-винтовое прокатывание;

5) горячее вальцевание.

 

· Свободная ковка заготовок из БРС применяется в условиях единичного или мелкосерийного производства с целью обеспечения оптимальной карбидной неоднородности по всему сечению заготовки. Ковке подвергают прокат диаметром свыше 50 мм. Для получения малого балла карбидной неоднократности (1 – 3 балла) необходимо проводить многократную осадку заготовки с промежуточной вытяжкой (до 8 – 9 раз). Например, трехкратная осадка и вытяжка позволяют снизить карбидную неоднородность на 1 – 1,5 балла. Температура нагрева заготовки для ковки зависит от марки стали (например, для Р18 – 1220⁰ С, для Р6М5 или Р6М5К5 – 1160⁰ С), заканчивать ковку необходимо при температуре 850 – 900⁰ С. Режим нагрева заготовки под ковку определяется материалом и сечением заготовки. Отношение длины заготовки под ковку L_з к ее диаметру D_з выбирается таким образом чтобы

L_з / D_з ≤ 3.

Иначе во время осадки может происходить изгиб заготовки, что недопустимо. Размеры поковок выбираются с учетом припуска на полную обработку инструмента с учетом угара металла при ковке и отжиге.

· Штамповка является более экономичным способом получения заготовок, обеспечивающим их стабильные размеры и повышенный коэффициент использования инструментальной стали.

В настоящее время применяют горячую штамповку резцов и насадного инструмента (например долбяков, насадных фрез и т.п.) и холодную штамповку дисковых отрезных пил, отрезных резцов из полосы, ножовочных полотен и др.

Основные операции горячей штамповки (переходы) насадного дискового долбяка приведены (рис. 6).

 

 

Например, на инструментальных заводах для штамповки долбяков с наружным диаметром 60-125 мм применяются прессы с усилием до 1600 тонн. Для исключения образования слоя необходимо обеспечить точное соответствие объема металла заготовки и объема штампа.

Для получения заготовок методом холодной штамповки из листовых материалов применяют кривошипные и фрикционные прессы.

· Редуцирование (гидродинамическое выдавливание)

Горячее гидродинамическое выдавливание заключается в выдавливании через матрицу (через фильеру), имеющую профиль сечения получаемой заготовки инструмента, нагретой например для стали Р6М5 до температуры порядка 1200-1230°С. При этом степень деформации достигает 75%. Гидродинамическим выдавливанием получают канавки концевых фрез, зенкеров, разверток, сверл и др. Шероховатость по Rа от 1 до 2 мкм. Точность размеров ±0,2-0,3мм. Для этого метода используют кривошипные и гидравлические прессы.

 

· Продольно-винтовое прокатывание

Применяется в массовом производстве, например для сверл диаметром от 2 до 25 мм для образования их винтовых канавок, спинок и ленточек.

Сущность этого способа заключается в прокатывании рабочей части заготовки инструмента, нагретой до температуры ковки между двумя парами профильных сегментов (роликов) из твёрдых сплавов или из дисперсионно-твердеющих сталей, имеющих принудительное синхронное вращение в направлении перемещения заготовки вдоль её оси.

Заготовка одновременно с её продольным перемещением вращается вокруг своей оси (один полный оборот заготовки соответствует осевому шагу прокатываемой винтовой канавки с углом наклона ω). Сегменты установлены под углом ω к оси заготовки (рис. 7).

Горизонтальная пара сегментов 3 и 4 формирует спинки и ленточки сверл, а другая пара сегментов 1 и 2 – формирует винтовые канавки сверл. Для образования утолщения сердцевины сверла к его хвостовику сегменты 1 и 2 имеют переменный наружный радиус. Метод в десятки раз производительнее фрезерования, дает большую экономию быстрорежущей стали, может быть использован для образования канавок других режущих инструментов, например концевых фрез, метчиков и т.д.

 

· Горячее вальцевание

Применяют в крупносерийном и массовом производстве сверл диаметром от 13 до 55 мм. Этот способ заключается в прокатывании нагретой до температуры ковки заготовки между двумя парами профильных сегментов, расположенных противоположно друг другу (аналогично продольно-винтовому прокатыванию). Каждая пара сегментов постепенно обжимает заготовку, образуя на ней прямые профильные канавки, спинки и ленточки. После прокатки заготовку, остывшую до температуры 750-800°С, закручивают на специальном станке для образования угла наклона стружечных канавок ω.