Основы ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
СНИЖЕНИЕ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ НА КАЧЕСТВО ДЕТАЛИ
Все показатели качества детали можно свести к двум группам:
- показатели геометрической точности детали (точность размера, формы, шероховатости, относительного положения поверхностей);
- показатели качества поверхностного слоя и детали в целом (остаточные напряжения, наклеп, структура материала).
При построении маршрута необходимо так выбирать последовательность достижения показателей качества (как в пределах одной группы, так и обеих групп), чтобы взаимное влияние технологических переходов не нарушало достигнутого качества на предыдущих технологических переходах.
В основе любого технологического перехода лежит соответствующий метод и режим обработки; метод обработки, в общем случае, оказывает влияние на все показатели качества детали. Поэтому, чтобы правильно выбирать методы обработки технологических переходов, надо знать влияние их на каждый из показателей качества не только на качественном, но и на количественном уровне. К сожалению, об ггом в имеющейся справочно-нормативной литературе можно найти только весьма приближенную информацию. В итоге выбор последовательности технологических переходов по достижению качества детали осуществляется технологом на основе его опыта, проведения экспериментов и носит в значительной степени субъективный характер, что и определяет длительную отработку технологических процессов.
Ниже излагаются рекомендации по снижению негативного взаимного влияния технологических переходов на достижение качества детали по ходу технологического процесса.
Борьба с негативным взаимным влиянием технологических переходов ведется посредством правильного выбора методов обработки, значений элементов режима обработки, последовательности технологических переходов и введением дополнительных технологических переходов, компенсирующих их взаимное влияние.
При обеспечении геометрической точности изготовления поверхности детали возникает задача определения состава технологических переходов, их содержания и последовательности для достижения точности ее размера, формы и шероховатости. Объясняется это тем, что для достижения заданной точности по разным показателям приходится применять разные методы обработки.
Рассмотрим этот вопрос на конкретном примере. Пусть требуется изготовить крупную партию стальных гладких цилиндрических валикон с d = 25 мм, длиной 60 мм, допуском на диаметр Td = 2 мкм и отклонениями формы и шероховатости, не выходящими за пределы Tj.
В качестве заготовки примем калиброванный пруток с допуском на диаметральный размер 280 мкм и с отклонениями формы, не выходящими за пределы 100 мкм и шероховатостью не более 40 мкм.
Принимая во внимание значения допусков на деталь и заготовку по трем показателям точности, можно установить значения уточнений г., которые необходимо обеспечить на технологических переходах: по диаметральному размеру
- по форме
- по шероховатости
Є = — = 20.
Ш 2
Исходя из значений уточнений, выбирают методы обработки, позволяющие достичь заданную точность детали по каждому показателю.
Уже из разницы значений уточнения следует, что для достижения точности цилиндрической поверхности валиков придется обработку заготовок осуществлять в несколько технологических переходов, так как отсутствуют технологические системы с уточнением в 140 раз.
Сначала выберем метод обработки для получения заданной шероховатости цилиндрической поверхности. Анализ известных методов показывает, что для достижения заданной шероховатости можно воспользоваться суперфинишированием или притиркой. Суперфиниширование, обеспечивая требуемую шероховатость поверхности, практически не позволяет по своей природе получить требуемое уточнение Єі = 140 для достижения точности диаметрального размера и формы валиков.
Притирка (в отличие от суперфиниширования) позволяет получить экономично не только требуемую шероховатость поверхности, но и точность размера и формы в пределах требуемых допусков при условии, что поступающие на притирку детали имеют припуск на обработку не более 5...20 мкм на диаметр (для стали) при отклонениях формы в пределах допуска 7ф3= 15 мкм, т. е. притирка экономично может дать уточнение:
1 Td 2
Сопоставляя эту величину с требуемой Sj = 140, видим, что осуществить переход от заготовки к готовой детали путем одного метода обработки не представляется возможным. Необходимо найти еще один или несколько методов обработки, которые обеспечили бы получение оставшегося значения уточнения
Є2 = — = -^^ = 18,6.
Є, 7,5
Таким образом, надо включить в процесс изготовления валиков как минимум один предварительный технологический переход.
Для обработки крупной партии калиброванных валиков в качестве высокопроизводительного метода следует принять бесцентровое шлифование, которое при заданном припуске может обеспечить точность диаметра в пределах 100 мкм.
Отсюда получим
* 100
Тогда в результате осуществления двух технологических переходов получим суммарную величину уточнения е4 = Єї х £3 = 7,5 х 2,8 = 21 вместо є = 140.
Следовательно, между притиркой и бесцентровым шлифованием необходимо ввести еще один технологический переход - предварительную притирку с уточнением
£з = 1^ = 6,8.
5 є4 21
Это возможно при условии, если заготовки, поступающие на предварительную притирку, имеют отклонение по диаметральному размеру не более 100 мкм, что обеспечивается предшествующим бесцентровым шлифованием.
Таким образом, для достижения заданной точности валиков необходимо осуществить три технологических перехода: бесцентровое шлифование, предварительную притирку и окончательную притирку, которые обеспечат требуемое уточнение:
£ = £3 х е5 х £, = 2,8 х 6,8 х 7,5 = 142,8.
Из приведенного примера видна связь между технологическими переходами и обоснованность их последовательности при достижении все\ показателей точности цилиндрической поверхности валиков.
При изготовлении всех поверхностей детали необходимо принимать во внимание взаимное влияние технологических переходов по их изготовлению. Взаимное влияние технологических переходов объясняется возникновением остаточных напряжений.
Например, при обработке резанием в случае съема больших припус ков в заготовке могут возникнуть большие внутренние напряжения, ко торые при осуществлении последующих технологических переходов ПС рераспределяются, вызывая собственные деформации заготовки, изме няющие ее геометрию.
В результате достигнутая на первых технологических переходи\ геометрическая точность теряется. В зависимости от конструкции заго мшки и ее материала, а также от уровня действовавшей силовой нагрузки отклонения геометрии заготовки могут вызвать погрешность обработки больше заданного допуска.
В таких случаях следует съем всего припуска осуществлять в несколько технологических переходов. Если и в этом случае погрешности, вызванные деформациями заготовки, оказываются больше заданного допуска или существенно снижается производительность обработки, то необходимо предусмотреть следующее.
Перед окончательной обработкой следует ввести технологический переход по снижению или выравниванию остаточных напряжений посредством "старения". Затем необходимо обработать технологические (>азы, от которых обрабатываются поверхности, для устранения погрешностей, вызванных деформациями заготовки. Только после этого следует производить окончательную обработку поверхностей.
Такая же картина наблюдается, когда в технологический процесс включают технологические переходы, связанные с достижением заданно - ю качества поверхностного слоя и структуры всего материала заготовки.
В этих случаях применяются технологические переходы, базирующиеся на различных методах упрочнения и термической обработки. Воз - нсйствие этих методов сопровождается высокими усилиями и температурами с теми же последствиями.
Снижение их влияния на достижение качества детали осуществляется или уменьшением их воздействия или компенсацией возникших погрешностей.
Целью термической обработки является:
1) снижение остаточных напряжений в материале детали;
2) улучшение обрабатываемости материала;
3) повышение механических свойств материала до значений, требуемых техническими условиями на изготовление детали.
Некоторые виды термической обработки осуществляются до начала механической обработки заготовки; другие виды перемежаются с процессами механической обработки.
До начала механической обработки выполняют нормализацию, отжиг, старение заготовок с целью снижения остаточных напряжений, выравнивания неоднородности структуры материала (это важно, если требуются последующая закалка и улучшение обрабатываемости материала іаготовки).
Повышение механических свойств (твердости, прочности) материа - па достигается закалкой и отпуском, которые, как правило, приходится включать на этапе механической обработки заготовки.
Осуществлению закалки и отпуска после окончательной механической обработки препятствует то, что деталь в процессе термообработки теряет полученную точность.
Кроме того, в процесс механической обработки приходится включать термическую операцию для снижения остаточных напряжений, вызванных самой механической обработкой, поэтому операциям закалки и отпуска заготовки отводят место между предварительными и финишными операциями.
Неизбежным разрыв процесса механической обработки становится, когда повышение твердости материала детали достигается цементацией и последующей закалкой. Если цементации подвергаются все поверхности детали, то термические операции (цементацию, закалку, отпуск) предусматривают перед окончательным этапом обработки. В таком случае окончательный этап должен целиком состоять из операций, выполняемых абразивными инструментами, поэтому припуски на этот этап оставляют минимально возможными.
Однако значительно чаше встречается требование цементовать только некоторые поверхности детали (местная цементация). В этом случае место термических операций определяется в основном способом защиты от цементации тех поверхностей, которые не должны ей подвергаться.
Для их защиты вводятся технологические переходы, базирующиеся на следующих способах:
1) омеднение поверхностей, не подлежащих цементации;
2) оставление повышенного (на величину глубины цементации) припуска на поверхностях, не подлежащих цементации, который снима ют после цементации, но до закалки;
3) комбинацию первого и второго способов - омеднение для одних поверхностей, но оставление повышенного припуска и омеднение (двойная защита) - для других.
Первый способ самый простой. Он позволяет выполнить цемента цию и закалку одну за другой, притом наиболее технологически удобно перед окончательным этапом механической обработки. Этот способ осо бенно выгоден, если уровень заданной точности детали позволяет вы полнить до цементации и закалки (на заключительном этапе) все техно логические переходы, требующие инструментов с металлическими лс( виями. В этом случае после цементации и закалки остается минимум механической обработки - шлифование особо точных поверхностей.
Второй способ более надежен, но требует увеличения припусков. Кроме того, цементацию приходится делать на одном этапе обработки, а закалку и отпуск - на другом.
При большой площади защищаемых поверхностей по сравнению с площадью цементуемых получается, что деталь нужно направлять на цементацию в сущности после предварительного этапа обработки, но с малыми припусками на цементуемых поверхностях. Поэтому процесс существенно усложняется, если эти поверхности мало пригодны для роли установочных баз (они должны служить базами, так как имеют минимальные припуски). К тому же после чистовой обработки деталь нужно еще раз направлять в термический цех (для закалки), поэтому второй способ защиты по возможности целесообразно избегать.
Третий способ обладает достоинствами первых двух, но лишен их недостатков.
Случайные дефекты омеднения (первый способ защиты) малосущественны, если окончательный этап процесса состоит из операций шлифования; однако они недопустимы для поверхностей под цементуемые шлицы, резьбу и другие подобные поверхности, обрабатываемые металлическими инструментами. Поэтому такие поверхности защищают повышенным припуском (второй способ защиты). Омедняя наряду с другими нецементуемыми поверхностями также и поверхности с повышенным припуском (двойная защита), получают возможность выполнить цементацию и закалку в одно время.
При третьем способе защиты характер части процесса, выполняемой после цементации и закалки, зависит от того, какова доля обработки поверхностей с повышенными припусками. По мере увеличения этой доли все больше стираются черты, характерные для первого способа защиты (омеднение) и усиливаются особенности, свойственные второму (повышенный припуск).
Прибегая к омеднению, обеспечивают отсутствие защитного слоя на поверхностях, подлежащих цементации, одним из двух способов:
1) омедняют только защищаемые поверхности, предохраняя от омеднения поверхности, подлежащие цементации (покрывая их диэлектриками - чаще всего специальными лаками);
2) омедняют деталь кругом, но до обработки цементуемых поверхностей под цементацию.
Во втором случае получается два разрыва в процессе механической обработки: после покрытий деталь попадает не в термический цех, а возвращается в механический; при обработке под цементацию снимается вместе с припуском и защитный слой.
Процесс на цементуемую деталь надо строить так, чтобы оконча тельный этап (обработка после цементации и закалки) содержал мини мум операций. Это обусловлено тем, что погрешности установки детали и погрешности от несовмещения баз компенсируются припусками, пре дусмотренными на последующую обработку, вследствие чего изменяют ся величины этих припусков, а главное - нарушается их равномерность Это малосущественно для грубых операций, но нежелательно для точ ных. Между тем, цементуемые поверхности - это, как правило, точные поверхности, а их окончательная обработка часто требует малопроизво дительных методов шлифования (к таким поверхностям относятся зубья, шлицы, профили и т. п.). При такой обработке всегда желательны наи меньшие припуски и наибольшая равномерность их распределения, по этому уже перед цементацией следует обеспечить хорошие технологические базы для последующего этапа и достаточно малые припуски. Чем меньше будет операций после цементации и закалки, тем меньше буде і установок детали, погрешностей от несовмещения баз и связанных с ни ми изменений предусмотренных припусков.
Уменьшению припусков препятствуют искажения формы детали и<- за деформаций в процессе цементации и закалки. Для уменьшения иска жений предусматривают снятие остаточных напряжений, возникающих после черновой обработки. Применяемая для этого термообработка осо бенно необходима, если деталь имеет цементуемую поверхность, размеры которой нельзя изменить после цементации и закалки. Она еще более- необходима, если такая поверхность не может служить технологическом базой для обработки других.
Процесс обработки детали, имеющей точные азотируемые поверх ности (обычно задают глубину слся 0,3...0,5 мм), строят, руководствуясь теми же соображениями, что и в случае цементации. Для защиты неачо тируемых поверхностей применяют лужение.
Твердость азотированного слоя резко падает по глубине (зона мак симальной твердости распространяется на глубину около 0,1 мм), поті о му определение минимального числа операций в окончательном этапе процессы подготовки хороших установочных баз для этого этапа уменьшение припусков путем точной чистовой обработки перед азотиро ванием и т. д. те же самые, как и при цементации поверхностей, с которы е нельзя снимать значительные припуски на окончательном этапе.