Юликов М.И. и др. Проектирование и производство режущего инструмента

Подождите немного. Документ загружается.

точках. Расстояние между точками 2 и 6 по радиусу фрезы со-

ставляет 36 мм. Отрицательные цифры соответствуют опусканию

измерительного наконечника прибора (мод. PWF-250) в «тело»

зуба фрезы. Измерения проводились для новой фрезы (близко

к кромке), т. е. при л ~ 0, и при п ~ 0,6 на расстоянии от кромки

около 6 мм. Величина Д

, взятая по точкам 2 и б, как видно из

приведенных на рис. 3.19 данных, составляет для правой

стороны Д

фВ

= 39 мкм и для левой Д

ф1

. = —2 мкм.

Приближенно величину Д

для фрез, затылованных дисковым

кругом, можно рассчитать с помощью следующего алгоритма

(точность расчета тем меньше, чем меньше alp).

Должны быть известны: d

. т, Р

к0

, Р

о, к, z„, г», ftp, ftco,

hi, ho, a.R, ai., п, а, р, R, где hi — коэффициент высоты головки

зуба колеса; ft

— полная высота профиля фрезы; ащц — угол

профиля фрезы в любом заданном сеченин; R — наружный ра-

диус круга. Для стандартных колес можно принять: Л

= 2т;

hlo = 1,25; К — 1; ho — 2,50m; а« = a

= 20°; аир рассчи-

тываются из (3.89) и (3.110).

Определение Д

происходит в следующем порядке:

г, = О.Ъйао - (h'

+hl)m- n",k; (3.131)

Lj = R+ 0,5d

-ft„; (3.132)

= - r

\ Ri = R

~ ftp, (3.133)

где r

= r,, L

~ Lj при / = 1; (3.134)

tglj =

a/Lji

ctgRJ

= ctgsect

}

ctg Qj = ctg sec

(3.135)

Ф, = 8

-е,. (3.136)

Если профиль фрезы задан в осевом сечении, то у,- = 0. (3.137)

Если профиль задан в нормальном к виткам сечении, то

;

±2лА

tg a*

,L,/(P

(3.138)

Если профиль задан по передней грани (кромке), то

fc = 0,5d

sinY

.H.

smYi = 6/o; sin ъ = Щг, + ft

); (3.139)

»j = <pj+vj; (3.140)

Д*«<£>

= (asino^z.) i

рсо8а

дш

)(ц

—

(3.141)

В выражениях (3.138), (3.139) и (3.141) верхний знак берется

для правой, нижний — для левой стороны профиля правозаход-

200

ной фрезы; для левозаходкой фрезы знаки соответственно ме-

няются.

Все величины с индексом / рассчитываются при / = I, что

соответствует новой фрезе (п

= 0), и при /" = 2, что соответст-

вует сточенной фрезе с заданным коэффициентом сточенности

Л/= л

— п.

Приведем пример расчета А

для рассмотренной выше фрезы

(см. рис. 3.19). Известны: d

— 225 мм; т = 18 мм; Р

х0

—

= 56,883 мм; P

= оо (канавки прямые); k = 17,0 мм; г„ = 8;

2ю = 1; Л

= 36 мм; Ко = 1,25;

= 1; h

= 45 мм; a

= ос*; =

хо£ = сс

я0В

= 20° 03'; л = 0,06 мм (фреза сборная); R =

= 99 мм; а = 21,645 мм; р = 9,045 мм. Из (3.136)—(3.146):

при /' = 1 п

(

= 0; г, = 72 мм; L

= 162 мм; R

— 90 мм; R

—

= 54 мм; 1

= 7,610°; г

= 11,382°; в

= 16,9093°; «р, = 5,527°;

= я = 0,06; г

= 71 мм; L

= 161 мм; £

= 7,657°; е

= 11,483°; 6

= 17,130°; q>

= 5,647°; р

— р, = 0,00209 рад;

Дф

0,0331

мм; д

. =

—0,0024

мм, т. е. фактический

угол

профиля для правой стороны данной фрезы при стачивании умень-

шается, для левой — увеличивается.

Погрешности профиля фрезы при ее стачивании могут быть

уменьшены путем использования определенных геометрических

параметров фрезы (у

, P

), специальной установки круга при

затыловании, использования чашечного или пальцевого круга,

применения несимметричного допуска на профиль фрезы, а также

изменения диаметра фрезы.

4. СОВРЕМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

4.1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА РИ

Как объект изготовления режущий инструмент (РИ) имеет

следующие особенности:

а) высокую стоимость инструментальных материалов (если

цена 1 кг конструкционной стали составляет около 0,1 р., то

быстрорежущей стали 2—5 р., твердого сплава 10—15 р., сверх-

твердых материалов 1000—5000 р.);

б) сложность геометрических форм инструмента и большое

количество технологических операций — до 50 и более;

в) высокие требования к точности (мерный инструмент, раз-

меры которого непосредственно влияют на размеры детали —

сверла, развертки, зуборезный РИ и др., —должен иметь точ-

ность на 1—2 и более квалитета выше, чем обрабатываемая по-

верхность);

г) повышенное влияние физико-механических свойств инстру-

ментального материала на качество РИ, в том числе стойкость

и производительность; как следствие, техпроцесс изготовления

РИ должен обеспечить достаточно высокие и стабильные свойства

материала РИ после его изготовления;

д) высокую твердость инструментальных материалов, пред-

определяющих широкое использование, особенно на финишных

операциях абразивной обработки.

Тип производства РИ изменяется от массового до мелкосерий-

ного и единичного. Первый более характерен для производства

стандартного РИ на специализированных инструментальных за-

водах. Мелкосерийное производство РИ характерно для инстру-

ментальных цехов машиностроительных предприятий. Техноло-

гия производства РИ в таких различных условиях также раз-

лична. В мелкосерийном производстве используется главным

образом универсальное оборудование, позволяющее изготавли-

вать различные виды РИ на одних станках. В массовом произ-

водстве широко используется высокопроизводительное специаль-

ное оборудование вплоть до автоматических линий для изготов-

ления сверл, метчиков, фрез и других РИ. Это позволяет, по

сравнению с мелкосерийным производством, в несколько раз

повысить производительность и снизить себестоимость изготов-

ления РИ.

202

Признаки классификации

Виды процессов

Основное назначение

Технологические процессы

Единичные

Типовые

Рабочие

Перспективные

Степень детализации

содержания

Маршрут-

ные

Опера-

ционные

Маршрутно-

операциониые

Рис. 4.1. Общая классификация технологических

процессов

Разработка техпроцесса изготовления РИ осуществляется

с учетом общей классификации (рис. 4.1) и на основе правил и

стандартов Единой системы технологической подготовки произ-

водства (ЕСТПП).

Единичный техпроцесс применяется для изготовления РИ

одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от

типа производства (например, сверла из быстрорежущей стали,

с цилиндрическим хвостовиком диаметром 6 мм, точного испол-

нения, средней серии). Типовой техпроцесс применяется в ка-

честве информационной основы при разработке рабочего техпро-

цесса, а также базы для разработки стандартов на типовые тех-

нологические процессы.

Типовые * технологические процессы разрабатывают на основе

анализа множества действующих и возможных процессов для

типовых групп инструментов. Типизация осуществляется на трех

уровнях — общесоюзном, отраслевом и предприятия.

Рабочий технологический процесс применяется для изготовле-

ния конкретного инструмента; перспективный разрабатывается

при техническом и организационном перевооружении производ-

ства и рассчитан на применение более совершенных методов

обработки и изменение принципов организации производства.

В соответствии с ЕСТПП разработка техпроцесса изготовления

РИ включает в общем случае следующие этапы.

А. Классификация объекта производства иа основе соответ-

ствующих методик и классификаторов. Классификация РИ

* По ГОСТ 14301—83 отдельно выделяется также групповой техпроцесс.

203

может производиться по ряду признаков, в том числе по форме,

в соответствии с общемашиностроительной классификацией: А —

валики (сверла, развертки, метчики и др.); Б — втулки (цилин-

дрические фрезы, насадные зенкеры, червячные фрезы и др.);

В — диски (дисковые фрезы, круглые фасонные резцы, долбяки,

шеверы); Г — пластины (резцы токарные, ножи к дисковым и

торцовым фрезам). Важным .признаком, в значительной мере

определяющим основные этапы изготовления РИ, является также

группа инструментального материала (см. табл. 2.4).

Б. Количественная оценка групп изготовляемого РИ; опре-

деление типа производства.

В. Анализ конструкций РИ на основе действующих типовых

техпроцессов и разработка маршрутов их изготовления.

Г. Выбор заготовки и методов ее получения с использованием

классификатора заготовок и, при необходимости, с технико-эко-

номическим обоснованием выбора.

Д. Выбор технологических баз с использованием классифика-

тора способов базирования и методики выбора технологических

баз.

Е. Выбор вида обработки (литье, давление, резание) с исполь-

зованием классификатора изделий и операций и методики оценки

точности и качества поверхностей.

Ж- Составление технологического маршрута обработки с ис-

пользованием классификатора технологического оборудования;

определение последовательности операций.

3. Разработка технологических операций на основе структур-

ной схемы и формул технологических операций с использованием

ряда классификаторов, стандартов, методик (по расчету режимов,

норм времени и др.).

И. Расчет точности, производительности и экономической

эффективности техпроцесса с использованием соответствующих

методик.

Необходимость разработки каждого из перечисленных этапов

техпроцесса определяется разработчиком в зависимости от го-

товности предприятия и типа производства.

Состав задач каждого этапа и основные документы, обеспе-

чивающие их решение, указаны в стандартах ЕСТПП

(ГОСТ 14.303—73, ГОСТ 14.307—73 и др.).

4.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ

ЭТАПОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РИ

4.2.1. Этапы изготовления

Основными этапами изготовления стального РИ являются:

а) заготовительные операции, в результате которых получается

заготовка РИ; б) основные формообразующие операции, на кото-

рых снимается основная часть припуска; в) закалка и отпуск,

204

в результате которых РИ приобретает высокую твердость, ко-

леблющуюся для разных марок в пределах HRG, 62—70, при

достаточной прочности и определенной структуре стали; г) шли-

фовально-заточные операции, обеспечивающие окончательные тех-

нические требования по точности размеров, геометрическим пара-

метрам и шероховатости поверхности; д) операции химико-тер-

мического улучшения, включая нанесение покрытий, что обеспе-

чивает повышение стойкости или производительности РИ.

Операции сварки (пайки) для инструментов осуществляются,

как правило, на первом этапе, наряду с другими заготовитель-

ными этапами. Для сборных инструментов соответствующие

операции сборки в большинстве случаев производятся до шлифо-

вально-заточных операций с тем, чтобы при окончательной об-

работке и заточке обеспечить высокую точность изготовления.

К основным этапам изготовления твердосплавного монолит-

ного инструмента относятся: а) получение заготовки твердо-

сплавного РИ путем его прессования из порошка, в который

добавляется специальный пластификатор (парафин); б) предва-

рительное спекание твердосплавной заготовки без выжигания

пластификатора, в результате которого заготовка может обраба-

тываться резанием лезвийным инструментом; в) основные формо-

образующие операции, на которых снимается большая часть

припуска; г) окончательное спекание заготовки РИ с выжига-

нием пластификатора, после которого твердый сплав приобретает

высокую твердость; д) шлифовально-заточные и доводочные опе-

рации.

Изготовление абразивных инструментов (кругов) включает

следующие этапы: а) приготовление абразивных формовочных

масс, включающих компоненты шихты связки и абразивных ча-

стиц (дозирование, смешивание, рыхление, укладка в пресс-

форму); б) формование абразивного инструмента методом прес-

сования в пресс-форме, прокаткой на вальцах или специальным

шликерным литьем; в) обжиг формованной заготовки; г) меха-

ническая обработка посадочных и рабочих поверхностей и кон-

троль.

Технология изготовления алмазных кругов имеет ряд особен-

ностей: отдельными дополнительными этапами являются изготов-

ление корпуса и соединение с ним режущей части круга — алмазо-

носного слоя.

Можно также отметить типичные для всех РИ операции марки-

ровки и упаковки инструмента. Особое место занимают контроль-

ные операции, которые проводятся как на различных этапах

и операциях техпроцесса, так и после изготовления РИ.

4.2.2. Методы получения заготовок

Наиболее разнообразные методы используются для стальных

инструментов. К ним относятся: а) получение в металлургической

промышленности прутков и полос быстрорежущей стали путем

205

обычного передела, электрошлаковым переплавом, распылением

в вакууме и последующим прессованием (порошковая сталь);

б) изготовление заготовок путем механической обработки реза-

нием из прутков и полос (отрезка, обработка торцов и др.);

) по-

лучение заготовок разнообразными методами обработки давле-

нием (ковка, штамповка, прокат, редуцирование, вальцовка,

прессование, выдавливание, обжатие); г) получение заготовок

литьем.

Метод влияет на коэффициент использования металла, струк-

туру стали и стойкость инструмента, а также на технологические

свойства стали (см. прил. 2). В общем случае тот или иной метод

должен выбираться исходя из общих приведенных затрат на

инструмент при его изготовлении и эксплуатации. При примерно

одинаковых эксплуатационных свойствах инструмента и при-

пусках на обработку метод получения заготовок может быть

выбран по критерию минимальной себестоимости заготовки.

Учитывая высокую стоимость инструментальных материалов,

а также дефицитность некоторых компонентов, входящих в их

состав, экономия материала при получении заготовок имеет перво-

степенное значение.

4.2.3. Сварка, пайка, склеивание

Сварка режущего инструмента позволяет создавать высоко-

экономичные сборные неразъемные конструкции, режущая часть

которых выполнена из инструментальных легированных или

быстрорежущих сталей, а корпус из конструкционных углеро-

дистых или легированных.

При изготовлении режущего инструмента наиболее широко

применяют сварку контактную стыковую, трением и диффузион-

ную, причем последняя применяется для соединения главным

образом разнородных материалов (например, металлоподобный

материал — металл, неметалл—металл), когда иной вид сварки

применить технологически сложно. Технологию получения не-

разъемных сварных конструкций определяют химическая, струк-

турно-фазовая и механическая неоднородность соединяемых ма-

териалов и различие их теплофизических свойств.

Конструкция свариваемого инструмента должна предусма-

тривать одинаковую форму и размеры соединяемых сваркой

элементов, некоторый припуск на оплавление материала (подлине)

и устранение перекосов и несоосности (по диаметру). Для инстру-

ментов диаметром 8—80 мм при длине заготовки 100—500 мм

ВНИИ

рекомендует припуск

на

диаметр

1,4—4,3

мм,

подлине

—

4,4—12,4 мм.

Машину для стыковой сварки выбирают по наибольшему сва-

риваемому сечению, ориентируясь на удельную мощность (3—

10 кВ-А/см

) и плотность сварочного тока (6—40 А/мм

). Указан-

ные меньшие значения относятся к большим диаметрам заготовки.

206

Обычная технология контактной стыковой сварки включает

следующие операции: подготовку поверхности под сварку, пред-

варительный подогрев, оплавление и осадку. Подготовку поверх-

ности заготовок под сварку ведут галтовкой или обточкой. Сварка

горячекатаного неочищенного металла недопустима. Высокое элек-

трическое сопротивление поверхности заготовки при сварке

обычно приводит к так называемому подгару поверхности, явля-

ющемуся иногда причиной поломки инструментов из быстро-

режущей стали.

Предварительный подогрев осуществляется повторяющи-

мися, при включенном токе, замыканиями на время 0,08—0,2 с

и паузами 0,12—0,30 с. После некоторого числа циклов темпера-

тура торцов выравнивается, и они подготовлены к оплавлению.

При оплавлении свариваемые торцы непрерывно движутся

навстречу друг другу. Участки контакта быстро плавятся, обра-

зуются элементы жидкого металла, который взрывообразно испа-

ряется с образованием снопа искр. На торцах образуется тонкий

слой жидкого металла. Скорость оплавления зависит и от марки

быстрорежущей стали. Так, для марок Р9, Р12, Р18, Р9К5 реко-

мендуется скорость изменять в пределах 0,8—2,2 мм/с, для Р6М5,

Р6М5К5-

1,0—2,5

мм/с и т. п.

Осадка во многом определяет качество соединения. Для облег-

чения пластической деформации вначале производится осадка

при включенном токе (25—30 % общего припуска на осадку)

и завершается без тока. Скорость осадки на первом этапе должна

быть выше

мм/с,

ее

величина лежит

пределах

1,5—3,0

мм/с,

а сила осадки соответствует удельному давлению 3—6 кПа.

Стыковые машины для сваривания заготовок диаметром 30—

80 мм с наибольшим усилием осадки 30—150 кН обеспечивают

в ручном или полуавтоматическом режиме получение 25—100 сва-

рок в час. Припуск на сварку быстрорежущей стали со сталями

марок 45, 40Х обычно составляет 0,65—0,8 от общего припуска.

После сварки заготовку помещают в печь с температурой

870 °С, и выдерживают всю партию 2—4 ч, а потом охлаждают

вместе с печью до температуры 570 °С и далее на воздухе. Такой

сокращенный изотермический отжиг препятствует возникновению

в зоне шва структур закалки, снимает напряжения в заготовке.

Технология сварки трением предусматривает нагрев торцов

свариваемых стержней при вращении и их осадку в непрерывном

режиме. В процессе нагрева поддерживается постоянное давление

после сближения торцов заготовок до достижения необходимой

для сварки температуры (1200—1300 °С). Затем прекращают

вращение стержней с приложением еще большего давления для

осадки, чем, собственно, заканчивается сварка, за которой следует

отжиг. Для сварки быстрорежущих сталей со сталями 45 и 40Х

диаметром 10—40 мм характерны следующие параметры режима:

давление на стадии нагрева 17—31 кПа в течение 1—7 с; давление

осадки в 2 раза выше. С увеличением диаметра в указанных выше

207

пределах удельное давление снижается в 3—4 раза, а время от-

жига возрастает в 5—10 раз. Эти изменения связаны маркой

быстрорежущей стали. Например, при одинаковых размерах

заготовок удельное давление на стадии нагрева у стали Р18 со-

ставляет 6 кПа, а у стали Р18Ф2К8М — 8,5 кПа при времени на-

грева соответственно 16 и 10 с.

Серийно выпускаемые машины для сварки инструмента тре-

нием позволяют сваривать заготовки диаметром 6—60 мм в полу-

автоматическом режиме; оператор производит лишь загрузку

и выгрузку заготовок. На некоторых машинах производится

и снятие образующегося наплыва — так называемого грата.

Качество сварных соединений инструментов контролируется

внешним осмотром и обмером сварных заготовок, люминесцентным

методом, методом разрушения, металлографическим и ультра-

звуковым.

Пайка твердосплавных пластин применяется довольно широко,

хотя ведутся постоянные изыскания методов закрепления пластин

с помощью механических устройств. Этот процесс характеризуется

тем, что в паяном соединении при его охлаждении вследствие

различия физико-механических свойств стали и твердого сплава

возникают значительные напряжения, зачастую приводящие к по-

явлению трещин в твердом сплаве, паяном шве и корпусе инстру-

мента. Снижение остаточных напряжений и уменьшение образо-

вания трещин достигается изготовлением корпуса инструмента

из подходящих сталей, например, стали 35ХГС и др., увеличением

толщины корпуса или уменьшением толщины пластины твердого

сплава, использованием низкотемпературных пластичных при-

поев, обеспечивающих меньший перепад температур и релаксацию

напряжений при остывании после пайки и др. Часто используются

такие технологические способы снижения напряжений, как за-

калка стального корпуса инструмента в процессе его охлаждения

после пайки (так называемый прием «ПАЙЗАК»), релаксационный

отпуск, применение компенсационных прокладок между корпусом

и пластиной. Наиболее эффективен прием «ПАЙЗАК». так как

при закалке стального корпуса создаются структуры, занима-

ющие больший объем, чем при медленном охлаждении. Увеличе-

ние объема корпуса приводит к снижению остаточных напря-

жений.

Вместе с тем быстрое охлаждение инструмента может привести

к возникновению трещины в твердом сплаве. Наиболее устойчивы

к охлаждению сплавы титановольфрамовой группы (Т15К6, Т30К4

и др.). Охлаждение лучше переносят сплавы вольфрамовой группы

с большим содержанием кобальта, например, ВК15. В связи

с этим закалку производят в горячей среде и стремятся не погру-

жать пластину в эту среду. Однако корпусные стали 45, 40Х

плохо закаливаются в горячих средах, а стали 9ХС хорошо.

Корпуса из сталей 45, 40Х закаливают в воде, подогретой до 80 °С,

и уровень ее при погружении инструмента в ванну не доходит

208

до пластины на 3—5 мм. Релаксационный отпуск осуществляют

путем выдерживания инструмента после пайки в нагревательной

печи при температуре 220—240 °С около 8 ч. При этом происходит

снятие напряжений за счет ползучести припоя.

Прокладки толщиной 0,2—0,4 мм из пермаллоя между корпу-

сом и пластиной позволяют повысить пластичность паяного шва

и способствуют перераспределению напряжений. Однако мягкая

опора под пластиной при повышенных нагрузках подвержена

смятию, что может привести к поломке пластины.

В качестве припоя при изготовлении инструмента используют

трехслойный припой ТП-1, медь, латунь Л63 и Л68, сплавы

МНМц 68—4—2, АНМц 0,6—4—2, ЛМцЖ 57—1,5—0,5 и

ЛНМц 60—9—5, ПСр 44 и др. Флюсом служат обезвоженная

бура, смесь буры и борной кислоты с добавками различных солей,

активизирующих флюсы, флюс марок Ф100 и Ф209.

Пайке предшествует подготовка твердого сплава и корпуса,

сборка инструмента. Подготовка твердого сплава к пайке ведется

различными способами. Например, снятие поверхностного слоя

сплава на заточном станке, дробеструйная или пескоструйная

обработка, обработка во вращающихся барабанах, наполненных

специальной смесью, химико-механическая, электрохимическая

и т. п. Цель обработки — хорошее смачивание поверхности пла-

стин расплавленным припоем для качественной пайки. К примеру,

малокобальтовые твердые сплавы подготавливаются окислением

в электропечи при 800 °С в течение 10 -30 мин с последующим

снятием окисной пленки во вращающемся барабане со смесью

речного песка, древесных опилок и 10 %-ного раствора каусти-

ческой соды.

Подготовка корпусов инструмента к пайке начинается на

этапе конструирования при выборе материала и на этапе изготов-

ления проведением отжига перед механической обработкой со

строгим соблюдением режима охлаждения.

Гнездо под пластину должно точно соответствовать ее разме-

рам; должны быть обеспечены паяльные зазоры, а свисание пла-

стины не более 0,5—0,8 мм. Пайка в открытый паз производится

только по одной плоскости. При капиллярной пайке оптимальная

толщина паяного шва лежит в пределах 0,1—0,25 мм, а соотно-

шение толщины твердого сплава и стали должно быть 1 : 3. Перед

пайкой корпуса нужно обезжиривать в 10—15 %-ном водном

растворе каустической соды, нагретой до 80—90 °С, промывать

в горячей воде и сушить горячим воздухом. Обезжиривание кор-

пусов производится в течение недели до пайки.

Сборка инструмента под пайку включает установку (ориентацию

и закрепление) пластины твердого сплава, дозировку припоя, на-

несение флюса, проверку и корректировку паяльных зазоров и др.

В многолезвийном инструменте пластины крепят с помощью

кернения, чеканки, штырей, забиваемых в специальные отверстия,

или технологических стенок.

209