Основні технологічні процеси механічної обробки металів, та їх вплив на довкілля

 

Обробка різанням - це технологічний процес виготовлення деталей, що полягає в створенні нових поверхонь відділенням поверхневих шарів матеріалу з утворенням стружки. Різання виконується шляхом впровадження в оброблювальну заготівку клиноподібного твердого тіла - ріжучої частини інстру­мента, рух якого здійснюється під дією сил приводу верстата. У зоні зіткнення ріжучого клину інструменту і шару заготівки відбувається складний процес пластичної деформації і руйнування металу, що призводить до утворення стружки і відділення її від заготівки. Для здійснення різання необхідний відносний рух між заготівкою і ріжучим інструмен­том. Сукупність відносних рухів інструменту і заготівки, необхідних для отримання заданої по­верхні, називають кінематичною схемою обробки. Всі принципові схеми обробки різанням засновані на поєднанні двох елементарних рухів - оберталь­ного і прямолінійного. Так, наприклад, при токарній обробці обертальний рух заготівки і поступа­льний рух різця, паралельний осі обертання за­готовки, утворюють сумарний рух різання по гвинтовій спіралі. Прямолінійні поступальні або обертальні рухи інструменту або заготівки, таке, що відбувається з найбільшою швидкістю в процесі різання і що визначає швидкість зняття матеріалу шару, що зрізається, називають головним рухом різання [1].

Під час обробки на металорізальних верстатах з поверхні заготівки видаляється припуск, що перетворюється в стружку і отримується деталь. Тобто система різання складається із стружки, заготівки і інструмента.

Відстань між оброблювальною та обробленою поверхнями, що вимірюється по нормалі до останньої, називається глибиною різання.

Для реалізації процесу різання інструмент і заготівка (або щось одне з них) мають виконувати відповідні рухи:

- рух різання - необхідний для зрізання різальними кромками стружки із заготівки. Проте при наявності тільки одного руху різання зняття стружки припиниться після першого оберту деталі. Для продовження різання необхідний рух подачі.

- рух подачі необхідний для того, щоб процес різання продовжувався неперервно або періодично.

В залежності від виду обробки різанням розрізняють декілька видів подач. Якщо рух подачі кінематично зв’язаний із рухом різання, частіше всього використовують величину подачі інструмента або заготівки на один оберт інструмента чи заготівки. Якщо рух різання - зворотно-поступальний - використовується подача на один подвійний хід інструмента, для багатозубих інструментів розглядають подачу за час зміни одного зуба - подачу на один зуб. У всіх перерахованих способах використовують поняття хвилинної подачі, як переміщення інструмента чи деталі за одну хвилину роботи. Три розглянуті параметри процесу різання: глибина, подача та швидкість різання складають, так званий, режим різання. Крім робочих рухів при обробці різанням на верстатах існують рухи встановлення (установочні) та допоміжні. Установочні - рухи робочих органів верстата, за допомогою яких інструмент займає по відношенню до заготівки положення, яке дозволяє знімати з заготівки шар матеріалу. Допоміжні - рухи робочих органів верстата, які не мають прямого відношення до різання (швидкі переміщення інструменту, транспортування заготівки тощо).

Досвід механічної обробки деталі свідчить, що більшість поверхонь, із яких вони складаються можна одержати за допомогою наступних основних операцій [2]:

- точіння;

- свердління;

- фрезерування;

- шліфування.

Фрезерування та шліфування дозволяють одержувати як плоскі поверхні, так і поверхні тіл обертання.

Одним з ефективних засобів сучасної автоматизації є створене останнім часом металорізальне устаткування є числовим програмним управлінням (ЧПУ) різного технологічного призначення, що легко переналагоджується, промислові роботи, транспортно–складальні системи. Поряд з верстатами з ЧПУ звичайних груп (токарні, розточні, свердлильні, фрезерні та інші) впроваджуються також багатоопераційні верстати з ЧПУ або так звані операційні центри (ОЦ).

По технологічним можливостям станки з числовим програмним управлінням (ЧПУ) діляться на групи:

- Станки токарної групи призначені для обробки зовнішніх і внутрішніх поверхонь деталей, а також для нарізання зовнішньої і внутрішньої різьби;

- Станки сверлильно-розточної групи призначені для свердління і розточки деталей різного класу точності, а також для комплексної сверлильно-розточної обробки;

- Станки фрезерної групи призначені для фрезерування деталей простої і складної конструкції корпусних деталей (з деяких сторін і під різним кутом) і для комплексної сверлильно-фрезерно-розточної обробки різних деталей.

На станках цих трьох груп при їх оснащенні інструментальними магазинами, з автоматичною зміною інструментів, можлива комплексна механічна обробка без переміщення деталі на інші сторони.

- Станки шліфувальної групи призначені для кінцевої обробки деталей. Вони поділяються на ряд підгруп в залежності від виду оброблюючих поверхонь:

а) круглошліфувальні;

б) плоскошліфувальні;

в) внутрішньо-шліфувальні.

Станки електрофізичної групи поділяються на:

- електроерозійні (вирізні і прошивні);

- електрохімічні;

- лазерні

- Багатоцільові станки призначені для сверлильно-фрезерно- розточної обробки призматичних, конусних і плоских деталей, а також для токарної обробки деталей типу тіл обертання з наступним їх свердлінням, фрезеруванням і розточуванням.

По принципу зміни інструментів станки з ЧПУ поділяються на три групи:

- з ручною зміною;

- з автоматичною зміною в револьверній головці

- з автоматичною зміною в магазині.

По принципу зміни заготівок станки з ЧПУ поділяються на станки з ручною і автоматичною зміною заготівок.

Станки з автоматичною зміною заготівок оснащені автоматичними накопичувачами заготівок можуть працювати довгий час без участі оператора.

Такі станки дістали назву гнучких виробничих модулів (ГПМ).

Станки з ЧПУ для гнучкого механікооброблюючого виробництва краще створювати на базі уніфікованих компонентів, використовуючи принцип агрегатно-модульного будування.

Ряд уніфікованих конструктивних компонентів станків, визначений виконуючими в процесі обробки функціями, включає в себе:

- несучі елементи конструкції (станини, стойки, портали тощо);

- шпиндельні коробки з проводами, що забезпечують потрібні швидкості і сили різання;

- столи з прямолінійними і круговими рухами разом з приводами подачі, що забезпечують взаємний простір переміщення інструмента і оброблювального виробу;

- допоміжні прилади для накопичення і заміни ріжучих інструментів на станку (магазини, автооператори з приводами і оснасткою);

- пристрої для автоматичної заміни заготівок (накопичувачі і навантажуючо-розвантажуючі механізми, маніпулятори або промислові роботи), що забезпечують роботу станка в складі РТК і ГПМ.

Основною особливістю уніфікованих конструкційних компонентів станків є можливість управління їх роботою пристроєм ЧПУ, що забезпечує швидку і автоматичну переналадку на обробку різноманітних виробів. Для можливості управління пристроєм ЧПУ окремі модулі і їх компоненти оснащуються регулюючими або слідкуючо-регулюючими електроприводами, а також датчиками зворотнього зв’язку по положенню рухомих елементів або по параметрах технологічного процесу для реалізації адаптивних функцій.

В ході операції точіння головний рух із швидкістю надається заготівці (вона обертається), а подачею є поступальний рух інструмента вздовж та перпендикулярно осі заготівки.

З практики відомо, що деякі операції меха­нічної обробки здійснюються насухо, тоді як в багатьох інших випадках на інструмент подається струмінь рідини, що надає охолоджуючу або змащувальну дію або обидві дії разом. Змащувально-охолоджуючі рідини мають велике значення, і багато опе­рацій не могли бути ефективно проведені без застосування оптимальної по складу рідини. Застосування змащувально-охолоджуючих рідин переслідує декілька цілей:

- оберігання інструменту, деталі і верстата від надмірного нагріву;

- збільшення стій­кості інструменту;

- зниження шорсткості оброблювальної поверхні;

- очищення зони різання від міл­кої стружки.

Багато металоріжучих верстатів мають свою систему подачі ЗОР: циркуляційні насоси, трубопроводи і насадки для напряму потоку рідини і фільтри для очищення відпрацьованої рідини. Існує велика кількість змащувально-охолоджуючих рідин, з яких технолог вибирає найбільш відповідну для конкретного застосування. При невеликому числі теоретичних рекомендацій як розробка ЗОР, так і їх вибір ґрунтуються на численних емпіричних даних. Вірно підібрана рідина повинна не тільки сприяти поліпшенню процесу різання, але також задовольняти велику кількість до­даткових вимог. Вона не повинна бути токсич­ною або шкідливою для оператора, шкодити системі мастила верстата, викликати корозію або зміну кольору оброблювального матеріалу, повинна забезпечувати захист від корозії поверхні і бути якомога дешевше, а також не повинна бути пожежо небезпечною. Змащувально-охолоджуючі рідини можна розділити на дві основні групи: що мають в основі воду і чисті масла. Перші мають в основному охолоджуючі властивості і є масляними емульсіями, які складаються з мінерального масла і води зазвичай в про­порції 1:10 і 1:30. Другі засновані на мінеральних маслах і мають підвищені змащувальні властивості. Існує багато варіантів змащувально-охолоджуючих рідин. Як масляні емульсії (зазвичай відомі як «розчинні масла»), так і чисті масла можуть містити присадки хлора і сірки, поліпшуючу змащувальну дію в умовах високого контактного тиску і температур, а чисті масла можуть містити жирні кислоти.

Змащувально-охолоджуючі технологічні засоби (ЗОТЗ) при обробці різанням значно зменшують зношування ріжучого інструменту і сили різання, покращують якість оброблювальної поверхні, підвищують експлуатаційні характеристики деталей. Застосування ЗОТЗ є одним з основних способів поліпшення різання важко оброблювальних матеріалів. ЗОТЗ всіх видів повинні відповідати наступним вимогам: не викликати корозію матеріалу заготівки і устаткування; не наносити шкідливого фізіологічного впливу робочому (роздратування шкіри і слизистих оболонок, запах); бути стійкими при експлуатації і зберіганні; не запалати при температурах супроводжуючих процес різання. Залежно від технологічного методу обробки, фізико-механічних властивостей оброблювального і інстру­ментального матеріалів, режиму різання застосовують різні змащувально-охолоджуючі засоби, що дають: тверді, рідкі, пластичні і газоподібні.

До твердих змащувально-охолоджуючих засобів відносяться: неорганічні матеріали з складною структурою (тальк, слюда, графіт, бура, нітрид бору, дисульфіди молібдену, вольфраму і титану, сульфат срібла і ін.); тверді орга­нічні з'єднання (мило, віск, тверді жири); полімерні плівки і тканини (нейлон, поліамід, поліетилен і ін.); металеві плівкові покриття (мідь, латунь, свинець, олово, барій, цинк); лід. До змащувально-охолоджуючих рідин (ЗОР) відно­сяться: водні розчини мінеральних електролітів, емуль­сії; мінеральні, тваринні і рослинні масла; мінеральні масла з добавками фосфору, сульфофрезоли; гас і розчини поверхнево-актив­них речовин в гасі; масла і емульсії з добавками твердих змащуючих речовин; розплави металів і ін. Змащувально-охолоджуючі рідини отримали найбільше застосування при обробці різанням. Їх отримують загущенням міне­ральних і синтетичних масел. Застосовують в основному чотири види загусників: мильні, вуглеводневі, неорганічні і органічні. До газоподібних змащувальних речовин відносяться повітря, азот, двоокис вуглецю, кисень, пари поверхнево-активних речовин, розпорошені рідини. Поліпшення оброблюваності матеріалів при використанні в процесі різання ЗОТЗ є результатом їх фізико-хімічних дій на оброблюванні матеріалів, основними з яких є: що змащує, охолоджує, ріжуче, захисне і таке, що зміцнює.

Вибір ЗОТЗ визначається фізико-механічними властивостями оброблюваного і інструментального мате­ріалів і технологічного методу обробки. Для кожного конкретного випадку підбирають визначене, найбільш ефективне ЗОТЗ. При чистовій і напівчистовій обробці, коли необхідна ефективна охолоджуюча дія, застосовують водні розчини електролітів і поверхнево-активних речовин, масляні емульсії. При чистовій обробці, коли потрібно отримати високу якість обробленої поверхні, основного значення набувають змащувальні властивості ЗОТЗ. У цих випадках застосовують чисті і активовані мінеральні масла і сульфофрезол. При чистовій обробці з високими швидкостями різання рекомендується застосовувати емульсії з 5-10 % розчином емульсола.

При чорновій обробці крихких матеріалів (чавунів, бронзи), коли утворюється стружка надлому, а також при переривистій обробці заготівок твердосплавним інстру­ментом як ЗОТЗ застосовують гази: стисле повітря, вуглекислоту. Газ охолоджує зону різання і одночасно видаляє стружку у спеціальні стружкозбірники. Кон­кретні рекомендації по правильному вибору ЗОР при різних видах обробки конструкційних матеріалів дані в роботі. Ефективність дії ЗОР в значній мірі залежать від способу підведення їх в зону різа­ння. Найбільш поширеним способом подачі ЗОР є полив вільним струменем. Цей метод подачі рідини в зону різання малоефективний і володіє наступними недоліками: велика витрата рідини (10-16 л/хв), розбризкування рідини, слабка змащувальна дія.

Більш ефективним є високонапірне охолодження. Рідину подають під тиском 1,5-2,0 МПа з сторони задньої поверхні інструмента через отвір діаметром 0,4-0,5мм. При цьому способі витрати рідини становить приблизно 0,5 л/хв. В резуль­таті високого тиску частки рідини інтенсивніше проникають в мікротріщини, скоріше перетворюються в пар та охолоджують нагріті поверхні. Але струменеві охолодження також має недоліки: необхідність застосування насосів; сильне розбризкування рідини, потребуюче застосування спеціальних захисних пристроїв; необхідність ретельної очистки рідини.

В деяких випадках, наприклад при глибокому свердлінні, рідина під тиском 2,0-2,5 МПа попадає в зону різання по каналах, або по трубкам, вмонтованим в інструмент. У цьому випадку охолоджуються інструмент і зона різання і одночасно вимивається стружка. Іноді застосовують внутрішнє охолоджування інструментів (при свердлінні або точінні крихких матеріалів). Для цього в інструменті роблять канали, по яких прокачуються сильно охолоджуючі рідини. А охолоджування розпорошеною рідиною проводять за допомогою інжекторної установки. Розпорошена емульсія подається в зону різання з боку задньої поверхні інструменту. При виході із сопла, рідинна суміш легко розширюється, унаслідок чого відбувається зниження її температури на 10-12°С. При попаданні на нагріті поверхні заготівки і інструмента частинки рідини миттєво випаровуються і відводять велику кількість теплоти. При невеликій витраті рідини (200-400 л/рік) ефективно використовуються її змащувальні і охолоджуючі властивості. Стійкість інструментів при охолоджуванні розпорошеною рідиною по порівнянню із стійкістю при охолоджуванні вільним струменем значно збільшується. Цей метод вимагає ретельного дотримання правил техніки безпеки. Для захисту від туману, на верстатах встановлюють спеціальні відсмоктуючі установки [3, 4].