Способы повышения режущей способности инструмента

 

Для повышения режущей способности (работоспособности) РИ применяют:

1) нанесение на рабочую поверхность износостойких покрытий;

2) упрочнение рабочей поверхности лучом лазера;

3) цианирование;

4) электроискровое упрочнение и др.

 

· 1) Нанесение износостойких покрытий на рабочую поверхность РИ повышает его стойкость до 3-10 раз. В качестве покрытия применяют карбиды вольфрама - WC, карбиды титана – ТiC, нитрид титана – ТiN, окись алюминия – Al2O3, нитрид циркония – ZrN и другие, а также многослойные покрытия из них.

Выбор покрытий и вариантов их нанесения на РИ (вид покрытия и последовательность их расположения при многослойном покрытии) зависит от обрабатываемого материала, материала основы РИ и режимов резания.

Пример трёхслойного покрытия на твёрдосплавную пластину:

нижний слой – TiC; средний слой – Al2O3; внешний слой – TiC.

TiN – уменьшает трение по передней и задней поверхностям РИ.

Al2O3 – улучшает теплоотвод с поверхности инструмента внутрь РИ.

TiC – обеспечивает хорошую адгезию с твёрдым сплавом.

Известно несколько способов нанесения износостойких покрытий. Наиболее универсальным из них является способ конденсации вещества на рабочую поверхность РИ из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки (способ КИБ). Этот способ позволяет наносить покрытия как на твёрдосплавный инструмент, так и на инструмент из БРС при температуре порядка 600ْ С. Толщина покрытия от 5 (однослойное) до 30 (многослойное) мкм.

Недостаток этого способа - в высоких требованиях к выдерживанию режимов процесса нанесения покрытий (температура, время, чистота поверхности и др.).

 

· 2) Лазерной обработке обычно подвергают поверхность окончательно заточенного РИ из БРС прошедшей термическую обработку. Метод основан на явлении высокоскоростного локального (по глубине и по площади) разогрева металла под действием лазерного луча до температуры, превышающей температуру фазовых превращений, но ниже температуры плавления и последующего высокоскоростного охлаждения за счёт отвода тепла с поверхности в основную массу металла инструмента. При этом на поверхности РИ образуется мелкозернистый мартенсит и остаточный аустенит, а микротвёрдость поверхности в зоне воздействия лазерного луча повышается на 15 - 20% при глубине 0,2 мм. Лазерное упрочнение проводят либо в воздушной среде, либо в среде инертных газов – например в среде аргона, предохраняющим поверхность от окисления и обезуглероживания. Средняя производительность лазерного упрочнения в аргоне до 500 мм²/мин.

 

· 3) Цианирование – это насыщение рабочей поверхности режущего инструмента на основе цианидов. В связи с опасностью этого метода его использование прекращено.

 

· 4) Электроискровое упрочнение – это энергетическое воздействие на рабочую поверхность РИ электроискровыми разрядами.

Основные способы повышения работоспособности РИ приведены на рис. 51.

11. себестоимость продукции, экономическая скорость резания и экономическая стойкость

 

В общем случае эффективность производства количественно может быть определена себестоимостью продукции, складывающиеся из себестоимости всех операций тех. процесса изготовления продукции, в том числе из себестоимости операции обработки резанием.

Полная себестоимость операции изготовления деталей резанием:

 

Q=Qp+Qв+Qпр+Qин+Qп,

 

где Qp – себестоимость основной работы станка: Qp = tp·E,

где tp - продолжительность рабочего хода и дополнительных движений, зависящих от режимов резания;

Е - себестоимость станко-минуты;

Qв - себестоимость вспомогательной работы на станке: Qв = tв·E,

где tв - продолжительность вспомогательной работы на станке, не зависящая от режимов резания;

Qпр - себестоимость внеплановых простоев оборудования: Qпр = tпр·E,

где tпр - продолжительность внеплановых простоев, вызванных случайным выходом инструмента из строя или другими причинами, зависящими от инструментальной оснастки;

Qин - плановые затраты, связанные с износом инструмента и отнесенные к одной детали:

Qин = (tр/Tп)· (П1·Е+П2·Ен+Sи),

 

где П1 - плановые потери времени работы станка на смену инструмента;

П2 - плановые потери времени работы станка на наладку, подналадку и размерное регулирование инструмента (работу выполняет наладчик);

Ен - заработная плата наладчика за минуту;

Sи- затраты на амортизацию и заточку инструмента за период его работы без замены, то есть за период его полной стойкости;

Тп - продолжительность работы инструмента (полное суммарное время работы РИ): Тп = Т/l,

где Т - полная стойкость инструмента по принятому критерию;

l - отношение длительности резания к длительности рабочего хода инструмента, l<1;

Qп - прочие постоянные затраты на деталь, не зависящие от темпа выполнения операции.

 

Проведем анализ зависимости величины составляющих затрат полной себестоимости от скорости резания и особенностей инструментальной оснастки (табл. 5).

 

Таблица 5

Качественная зависимость величины составляющих затрат полной себестоимости и особенностей инструментальной оснастки

Составляю- щие Qi	Зависимость Qi от:
От скорости от инструментальной оснастки
Qp
Qв
Qпр	+
Qин	+
Qп

 

На основе табл. 5 построим качественный график зависимости Q от V (рис. 52)

Как видно из графика зависимость Q от V носит экстремальный характер с минимумом при некоторой скорости Vэк, называемой экономической скоростью резания. При этой скорости резания обеспечивается минимальная себестоимость операции.

Vэк может быть определена из соотношения:

Vэк/Vн = (Тн / Тэк)^m,

где Vн, Тн – нормативное значение скорости резания и стойкости РИ.

Тэк - экономическая стойкость, то есть стойкость инструмента при его работе со скоростью Vэк

Тэк = (1/m-1) · (П1·Е+П2·Ен+Sи)/Е,

где m - показатель степени в формуле V = Cv/T ^m для данного инструментального материала.

Для многоинструментальных наладок с целью увеличения периода стойкости инструмента экономическую стойкость Тэк увеличивают:

Тэк.м = Кт ·Тэк,

где Кт - коэффициент увеличения стойкости инструмента: Кт = 1,56/N^0,2,

где N – количество инструментов в наладке.

12. Размерная стойкость инструмента и величина его подналадки

 

Размерная стойкость – это время резания инструментом с момента его установки на станок до его первой подналадки. Иногда вместо времени размерную стойкость указывают в количестве обработанных режущим инструментом деталей. Размерная стойкость может быть больше, равна или меньше периода стойкости РИ по режущей способности, которая чаще всего определяется по величине износа РИ. Как правило, при черновой обработке размерная стойкость РИ больше периода его стойкости по режущей способности (т.е. размер детали при обработке остаётся в пределах допуска на неё, а РИ уже не режет – затупился). А при чистовой обработке, как правило, размерная стойкость РИ меньше периода его стойкости по режущей способности.

Рассмотрим факторы (погрешности), которые влияют на размерную стойкость инструмента. Точность размеров детали при обработке на станке зависит от:

1) систематических погрешностей:

а) постоянных;

б) переменных;

2) случайных погрешностей:

а) кинематических;

б) динамических.

Суммарная систематическая постоянная погрешность:

∆с ∑ =∆ср +∆су +∆ст,

где ∆ср – погрешность размера длины инструмента;

∆су – погрешность установки инструмента;

∆ст – смещение вершины инструмента из-за тепловой деформации станка при его нагреве от температуры помещения до температуры в установившемся тепловом режиме его работы.

Суммарная систематическая переменная погрешность:

∆v∑ = ∆vи +∆vт+ ∆vд,

где ∆vи - размерный износ вершины инструмента;

∆vт - смещение вершины инструмента из-за тепловых деформаций станка при неустановившемся температурном режиме (как правило, при установившемся температурном режиме работы станка ∆vт = 0).

∆vд - смещение вершины инструмента из-за дополнительных упругих деформаций технологической системы станка за счёт увеличения сил резания при затуплении инструмента:

 

∆vд = ∆Рz/jzy +∆Рx/jxy +∆Рy/jyy,

где ∆Рz/jzy, ∆Рx/jxy, ∆Рy/jyy – деформация технологической системы станка в направлении оси у от увеличения составляющих сил резания из-за износа РИ по осям z, x, y соответственно; ∆Рz, ∆Рx, ∆Рy – это увеличение составляющих сил резания из-за износа РИ в направлении осей z, x, y; jzy, jxy, jyy – жёсткость технологической системы станка в направлении оси у от действия сил в направлении осей z, x, y соответственно.

Случайная погрешность обработки является следствием большого количества различных случайных факторов.

Случайная кинематическая погрешность возникает при рабочих перемещениях механизмов станка без нагружения их силами резания.

Случайные динамические погрешности возникают в процессе резания, зависят от жесткости технологической системы станка, случайных изменений силы резания и возрастают при износе РИ (поэтому границы поля рассеивания размеров обрабатываемой детали во времени увеличиваются).

Результирующая кинематической и динамической погрешностей - поле рассеивания размеров обрабатываемой детали в момент времени , определяется по формуле:

,

где – среднее квадратическое отклонение кинематических погрешностей;

– среднее квадратическое отклонение динамических погрешностей.

Итак имеем следующие погрешности:

систематические: ∆с ∑ - суммарная систематическая постоянная погрешность,

∆с ∑ =const;

∆v∑ - cуммарная систематическая переменная погрешность (при

∆vт = 0), ∆v∑ = var (рис. 53):

∆v∑ = ∆vи + ∆vд,

где ∆vи - размерный износ вершины инструмента;

∆vд - смещение вершины инструмента из-за дополнительных упругих деформаций технологической системы станка за счёт увеличения сил резания при затуплении инструмента.

 

 

На рис. 53:

кривая 1 – текущее значение ∆vи;

кривая 2 – текущее значение ∆v∑.

cлучайные: результирующая кинематической и динамической погрешностей возрастает при износе РИ, т. е. увеличивается во время резания (рис. 54).

Типовая диаграмма точности обработки плоской поверхности строгальным резцом для случая, когда период стойкости инструмента по режущей способности больше его размерной стойкости, отражает изменение размера А детали (или деталей), обработанной резцом в условиях установившегося температурного режима работы станка (рис. 55).

На рис. 55 использованы следующие обозначения:

A_max, A_min – соответственно максимальный и минимальный размер детали по чертежу с верхним ВО и нижним НО предельными отклонениями;

δА – допуск на размер А по чертежу;

кривая 2 – текущее значение ∆v∑;

кривые 3 и 4 – соответственно нижняя и верхняя границы поля рассеивания размера А детали в различные моменты времени процесса резания ( зависит от времени ).

На диаграмме показаны положения вершины резца (т. М) в поле допуска обрабатываемой детали. Положение вершины резца в тт. М1 и М2 неверное, так как в этих случаях будет получен брак по размеру А: для т. М1 – неисправимый, а для т. М2 – исправимый. Для получения максимальной размерной стойкости резца точка М перед началом резания должна быть как можно ближе к нижнему отклонению НО размера А детали, т.е. в положении М(0).

В процессе резания т. М будет перемещаться из первоначального положения (т. М(0)) по отношению к обрабатываемой поверхности по некоторой кривой 2 через промежуточное положение (т. М( i)) в момент времени i до предельно допустимого по критерию размерной стойкости резца положения М(Тр₁), соответствующее момену времени = Tp, при котором произойдёт пересечение верхней границы поля рассеивания размера А с его верхним отклонением – точкой К. Дальнейшая работа на станке должна быть прекращена из-за возможного выхода размера А за его предельное верхнее отклонение ВО. Так как резец свою режущую способность ещё не утратил, то после времени работы резца равного Тр, резец необходимо переустановить в новое положение, т.е сделать его подналадку на величину Ап из положения М(Тр₁) в положение М(Тр₂)_.

 

т.к. = = .

При обработке деталей тел вращения величина подналадки равна половине величины А_П (А_П/2). При последующих подналадках следует учитывать изменения во времени некоторых погрешностей, а именно: cуммарной систематической переменной погрешности ∆v∑ за счёт изменения размерного износа вершины инструмента ∆vи и смещения вершины инструмента из-за дополнительных упругих деформаций технологической системы станка за счёт увеличения сил резания при затуплении инструмента ∆vд; результирующей кинематической и динамической погрешностей за счёт изменения среднего квадратического отклонения динамических погрешностей .

Список литературы к лекциям по ПТПРВИ

1. Палей М.М. Технология производства металлорежущих инструментов: Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты». 2-е изд., перераб. И доп./М.М. Полей. М.: Машиностроение, 1982. – 256 с.

2. Технология изготовления режущего инструмента/ А.И. Барсов, А.В. Иванов, К.И. Кладова. М.: Машиностроение, 1979. – 136 с.

3. Основы технологии мелкосерийного производства металлорежущих инструментов. Обработка базовых поверхностей и формообразование исходной инструментальной поверхности: Учеб. пособие/ М.А. Царенко. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1994.

4. Основы технологии мелкосерийного производства металлорежущих инструментов. Особенности технологии, виды заготовок, заготовительный цикл: Учеб. пособие/ М.А. Царенко. Сарат. гос. техн. ун-т, 1994.

5. Основы технологии мелкосерийного производства металлорежущих инструментов. Обработка стружечных канавок, профиля зубьев лезвииных инструментов, присоединение режущих элементов: Учеб. пособие/ М.А. Царенко. Сарат. гос. техн. ун-т, 1995. – 120 с.

6. Основы технологии мелкосерийного производства металлорежущих инструментов. Заточка, переточка и восстановление инструментов: Учеб. пособие/ М.А. Царенко. Сарат. гос. техн. ун-т, 1996. – 76 с.

7. Основы технологии мелкосерийного производства металлорежущих инструментов. Шлифование инструмента и профильное шлифование: Учеб. пособие/ М.А. Царенко. Сарат. гос. техн. ун-т, 1996. – 69 с.

8. Технология шлифования и заточки режущего инструмента/ М.М. Палей, Л.Г. Дибнер, М.Д. Флид и др. М.: Машиностроение, 1988. – 280 с.

9. Технология изготовления зуборезного инструмента/ П.Р. Розин, В.И. Климов, С.В. Якубсов. М.: Техника, 1982. – 208 с.

10. Справочник шлифовальщика/ В.А. Кащук, А.Б. Верещагин. М.: Машиностроение, 1988. – 408 с.

 

 

 

Учебное издание

 

Демидов Валерий Васильевич

 

проектирование и ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РЕЖУЩЕГО и Вспомогательного инструмента

Учебно-методический комплекс

 

Подписано в печать с оригинал-макета_______. Формат ________

Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл.печ.л____.

Уч.-изд.л.____. Тираж___экз. Заказ _____.

 

Ульяновский государственный технический университет,

432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.

 

Типография УлГТУ, 432027, г. Уляновск, ул. Сев. Венец, д. 32.