Методические указания. В данной работе необходимо произвести выбор и определение последовательности способов механической и упрочняющей обработки

В данной работе необходимо произвести выбор и определение последовательности способов механической и упрочняющей обработки, обеспечивающих требуемую размерную точность и качество поверхности детали, а, следовательно, требуемые эксплуатационные свойства.

При выборе и определении способа (последовательности способов) механической и упрочняющей обработки следует руководствоваться техническими требованиями чертежа детали, а также известными зависимостями между параметрами качества поверхности и условиями эксплуатации детали. Так, например, повышение износостойкости достигается за счет высокой твердости (микротвердости) поверхностного слоя. Увеличение выносливости обеспечивается в результате создания минимальной высоты микронеровностей, значительной твердости (микротвердости), сжимающих остаточных напряжений и т.д.

Экономически целесообразно применять методы обработки, при которых достигается наименьшая технологическая себестоимость. Так, в случае, если достижение одинаковых параметров качества поверхности возможно при различных способах механической обработки, то производится сопоставление их себестоимости по приведенным затратам С_п.з.

Себестоимость рассчитывается по зависимости

где Т_шт – штучное время на операцию, мин.

Выполнение работы осуществляется в соответствии с заданием, которое выдается преподавателем на группу из двух-трех студентов. Варианты задания приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 – Варианты заданий

№ п.п	Тип поверхности	Материал, сталь	Требования к размерной точности и качеству поверхности детали
Квалитет до-пуска раз-мера	Ra, мкм	Твер-дость, HRC	Величина остаточных напряже-ний сжатия, МПа	Толщина упроч-ненного слоя, мм
	Наружная вращения	40Х 18ХГТ 40ХН 12ХН2		0, 2 0, 4 0, 2 0, 6 0, 2 0, 4 0, 2 0, 6			1, 0 0, 1 1, 2 1, 5 1, 4 0, 6 1, 0 0, 8
	Внутренняя цилиндри-ческая	40Х Ст3 20Х 20ХГР		0, 2 0, 4 0, 1 0, 1 0, 2 0, 4 0, 2			1, 0 0, 4 1, 6 0, 4 0, 4 0, 8 0, 1

Значения приведенных затрат штучного времени, средней экономической точности и высоты микронеровностей поверхности деталей, достигаемые при различных способах механической обработки наружных поверхностей тел вращения и цилиндрических отверстий, приведены в таблице 6.2.

Технологические возможности некоторых способов упрочняющей обработки сведены в таблице 6.3.

Используя исходные данные, а также сведения из таблиц 6.2 и 6.3, осуществляют выбор и определение последовательности способов обработки детали.

Необходимо иметь в виду, что при назначении промежуточных методов механической обработки следует руководствоваться тем, что каждая последующая обработка повышает точность размеров на 1 … 2 квалитета и уменьшает высотные параметры шероховатости в 2 … 6 раз. Так, например, если необходимо обработать наружную поверхность вращения вала с точностью по 6-му квалитету и параметром шероховатости Ra = 0, 6 … 1, 0 мкм, а заготовкой служит поковка, то необходимо предусмотреть следующие промежуточные операции или переходы:

- обтачивание: черновое – 12-й квалитет,

чистовое – 10-й квалитет (Ra = 2, 0 … 3, 0 мкм);

- шлифование: предварительное – 8-й квалитет,

чистовое – 6-й квалитет (Ra = 0, 6 … 1, 0 мкм).

Отделочная и упрочняющая обработки заготовки, как правило, выполняются на конечной стадии технологического процесса. При выборе способа упрочняющей обработки необходимо иметь в виду, что стали с содержанием углерода до 0, 4 %подвергаются химико-термической обработке (цементация, азотирование, силицирование, оксидирование, фосфатирование, сульфидирование, сульфоцианирование и др.). Поверхностное пластическое деформирование (ППД) используется для нетермообработанных деталей.

Таблица 6.2 – Приведенные затраты и время на выполнение операций, точность и высота микронеровностей при различных способах обработки

Способ	Приведенные затраты Сп.з, у.е./ч.	Штучное время Тшт, мин	Квалитет допуска размера	Параметр шероховатости Ra, мкм
Наружные поверхности вращения
Обтачивание: – получистовое или однократное – чистовое – тонкое	22, 4 22, 4 26, 9	2, 29 2, 49 2, 19	11 … 13 8 … 10 6 … 9	16, 0 … 2, 0 3, 2 … 0, 8 1, 6 … 0, 2
Шлифование: – предварительное – чистовое – тонкое	23, 0 23, 0 31, 7	2, 14 2, 14 2, 66	8 … 9 6 … 7 5 … 6	6, 3 … 0, 4 3, 2 … 1, 25 0, 25 … 0, 05
Полирование обычное	–	–	4 … 5	0, 08 … 0, 008
Притирка, суперфиниширование	–	–	4 … 5	0, 1 … 0, 01
Внутренние цилиндрические
Сверление и рассверливание	23, 7	2, 25	9 … 13	12, 0 … 3, 2
Зенкерование: – литого или прошитого отверстия – чистовое после чернового сверления	23, 7 23, 7	2, 25 1, 53	10 … 13 8 … 9	2, 5 … 8, 0 3, 2 … 1, 25
Развертывание: – нормальное – точное – тонкое	23, 7 23, 7 23, 7	1, 74 2, 32 3, 87	10 … 11 7 … 9 5 … 6	2, 5 … 1, 25 6, 3 … 0, 4 0, 63 … 0, 32

 

 

Окончание таблицы 6.2

Способ	Приведенные затраты Сп.з, у.е./ч.	Штучное время Тшт, мин	Квалитет допуска размера	Параметр шероховатости Ra, мкм
Протягивание: – литого или прошитого отверстия – чистовое после чернового сверления	26, 8 26, 8	0, 8 0, 8	10 … 11 6 … 9	1, 25 … 0, 8 1, 25 … 0, 32
Растачивание: – черновое – чистовое – тонкое	36, 1 24, 1 24, 1	1, 49 1, 72 1, 96	11 … 13 8 … 10 5 … 7	12, 5 … 2, 5 6, 3 … 0, 4 0, 8 … 0, 2
Шлифование: – предварительное или однократное – чистовое – тонкое	22, 0 22, 0 30, 0	7, 2 8, 28 8, 64	8 … 9 6 … 7	3, 2 … 1, 6 1, 6 … 0, 32 0, 32 … 0, 08
Хонингование: – черновое – чистовое – тонкое	22, 8 22, 8 22, 8	– – –	5 … 6 4 … 5 4 … 5	3, 2 … 1, 25 1, 25 … 0, 25 0, 25 … 0, 04
Притирка	22, 8	–	4 … 5	0, 16 … 0, 02

 

Таблица 6.3 – Классификация и технологические возможности способов упрочняющей поверхностной обработки деталей машин

Процессы и параметры поверхностного слоя, обусловливающие упрочнение	Способ упрочнения	Технологические возможности
Материал заготовки	Точность обработки	Параметр шероховатости Ra, мкм	Твердость обработанной поверхности, HRC	Величина остаточных напряжений в поверхн. слое, МПа	Толщина упрочненного слоя, мм
min	max
Упрочнение пластическим деформированием поверхностного слоя (наклепом). Повышение физико-механических свойств поверхностного слоя, изменение величины и знака остаточных напряжений в поверхностном слое, улучшение микрогеометрии обработанной поверхности	Накатывание роликом	Чугун, сталь, сплавы из цветных металлов	Сохраняется от предшествующей обработки	1, 6 … 0, 05	Увеличивается на 20 … 50 %	600 … 800	1, 0	2, 0
Накатывание шариком	То же	То же	0, 4 … 0, 05	Увеличивается на 10 … 20 %	То же	0, 3	0, 5
Раскатывание шариком (роликом)	То же	7 … 9-й квал.	0, 4 … 0, 05	То же	То же	0, 1	0, 5
Алмазное выглаживание	То же	То же	0, 4 … 0, 02	–	–	0, 1	0, 6

 

Продолжение таблицы 6.3

Процессы и параметры поверхностного слоя, обусловливающие упрочнение

Способ упрочнения

Технологические возможности

Материал заготовки

Точность обработки

Параметр шероховатости Ra, мкм

Твердость обработанной поверхности, HRC

Величина остаточных напряжений в поверхн. слое, МПа

Толщина упрочненного слоя, мм

min

max

Упрочнение поверхностной химико-термической (термодиффузионной) обработкой. Изменение физико-химических свойств и структуры поверхностного слоя, изменение величины и знака остаточных напряжений в поверхностном слое

Цементация

Малоугле-родистая сталь

Коробление (поводка) 0, 05 … 0, 15 мм

Увеличивается в 2 … 4 раза

60 … 70

400 … 1000

0, 5

2, 0

Азотирование

Сталь, чугун

Коробление 0, 05 … 0, 10 мм

То же

58 … 70

–

0, 05

0, 60

Цианирование

Сталь

То же

То же

60 … 75

–

0, 01

2, 5

Хромирование

Сталь

То же

То же

72 … 80

–

0, 02

0, 30

 

Окончание таблицы 6.3

Процессы и параметры поверхностного слоя, обусловливающие упрочнение

Способ упрочнения

Технологические возможности

Материал заготовки

Точность обработки

Параметр шероховатости Ra, мкм

Твердость обработанной поверхности, HRC

Величина остаточных напряжений в поверхн. слое, МПа

Толщина упрочненного слоя, мм

min

max

Упрочнение поверхностной термообработкой. Изменение физ.-мех. свойств и структуры поверхностного слоя, изменение величины и знака остат. напряжений

Закалка с нагревом ТВЧ

Сталь

Коробление 0, 03 … 0, 07 мм

Не изменяется

–

–

0, 2

Упрочнение поверхностей заготовок в электромагнитном поле

Электромагнитная наплавка

Сталь

12-й квал.

20 … 6, 3

50 … 56

600 … 800

0, 6

1, 2

Так наружные и внутренние поверхности изделий типа тел вращения твердостью менее 45 … 50 НRC эффективно обрабатывать накатыванием роликовым или шариковым инструментом, а поверхности твердостью более 50 НRC – методом алмазного выглаживания. Для упрочнения традиционных, более дешевых марок сталей обычного качества (Ст 3, Ст 4, Ст 5 ГОСТ 380–88) твердостью, не превышающей 200 НВ, перспективно применять электромагнитную наплавку (ЭМН) или комбинированный метод ЭМН с ППД порошковых материалов. Эти методы позволяют формировать в поверхностных слоях изделий типа тел вращения прогнозируемый уровень остаточных сжимающих напряжений, положительно влияющих на усталостную прочность, а также увеличивать ресурс деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и интенсивного абразивного изнашивания. Отделочными методами обработки (шлифование, хонингование, полирование, притирка и т. п.), которые производятся после термического, химико-термического упрочнения и ЭМН, возможно получение параметра шероховатости в диапазоне Ra = 1, 6 … 0, 025 мкм. В таблице 6.4 приведены различные диапазоны и предпочтительные значения получаемых параметров шероховатости после механической обработки упрочненных поверхностей.

Таблица 6.4 – Параметры шероховатости

Rа, mkm	Rа, mkm
Диапазон	Предпочтительное значение	Диапазон	Предпочтительное значение
80; 63; 40		0, 63; 0, 5; 0, 32	0, 4
40; 32; 20		0, 32; 0, 25; 0, 16	0, 2
20; 16; 10	12, 5	0, 16; 0, 125; 0, 08	0, 1
10; 8; 5	6, 3	0, 08; 0, 063; 0, 04	0, 05
5; 4; 2, 5	3, 2	0, 04; 0, 032; 0, 02	0, 025
2, 5; 2; 1, 25	1, 6	0, 02; 0, 016; 0, 01	0, 012
1, 25; 1; 0, 63	0, 8	0, 01; 0, 008	–

Ниже показаны примеры выполнения работы. Задания для рассматриваемых примеров приведены в таблице 6.5.

Таблица 6.5 – Варианты заданий рассматриваемых примеров

Тип поверхности	Материал, сталь	Требования к размерной точности и качеству поверхности детали
Ква-литет допу-ска раз-мера	Ra, мкм	Твер-дость, HRC	Величина остаточных напряжений сжатия, МПа	Толщина упрочнен-ного слоя, мм
Наружная вращения	20Х		0, 2			1, 2
Внутренняя цилиндрическая	40Х		0, 4			0, 3
Наружная вращения	Ст3		0, 4			1, 0

Примеp 1. Анализируя задание, приходим к заключению, что требования к размерной точности и шероховатости наружной поверхности вращения можно обеспечить в результате следующей последовательности способов механической обработки: обтачивание предварительное и чистовое, шлифование предварительное, чистовое и тонкое (таблица 6.2). Учитывая, что деталь изготавливается из малоуглеродистой стали (С = 0, 2 %), в соответствии с требованиями к твердости, величине остаточных напряжений и толщине упрочненного слоя выбирается способ упрочняющей обработки (таблица 6.3) – цементация.

Тогда вся последовательность способов обработки, обеспечивающая требуемую размерную точность и качество поверхности, представляет собой следующее: обтачивание предварительное и чистовое, цементация, шлифование предварительное, чистовое. Принятая последовательность способов обработки изображается в виде схемы (рисунок 6.1).

 

 

Рисунок 6.1 – Схема комплекса способов и результаты обработки наружной поверхности вращения

Пример 2. Действуя в той же последовательности, что и в первом случае, из таблицы 6.4 выбирается комплекс способов механической обработки: зенкерование, черновое растачивание или протягивание, тонкое растачивание и однократное шлифование. В данном случае возможны три варианта предварительной обработки отверстия. Выбор способа обработки производится по результатам определения себестоимости. Используя данные таблицы 6.4, определяем себестоимость каждого варианта обработки.

Обозначим себестоимость: зенкерования С ₁, чернового растачивания C ₂ и протягивания С ₃.

Тогда

у.е.;

у. е.;

у. е.

Таким образом, по минимальной себестоимости предпочтение следует отдать протягиванию.

Материал детали содержит 0, 4 % С. С учетом требований к физико-механическим свойствам поверхностного слоя выбирается способ упрочнения (таблица 6.3) – поверхностная закалка с нагревом ТВЧ. Тогда вся последовательность способов обработки представляет собой следующее: протягивание, растачивание чистовое, поверхностная закалка с нагревом ТВЧ, шлифование однократное. Весь комплекс способов обработки представлен на рисунке 6.2.

 

 

Рисунок 6.2 – Схема комплекса способов и результаты обработки внутренней цилиндрической поверхности

Примеp 3. В результате проведенного анализа задания (материал обрабатываемой детали – сталь обычного качества марки Ст3) предложена разработка технологического процесса обработки и упрочнения изделия с использованием метода электромагнитной наплавки в сочетании с поверхностным пластическим деформированием, который позволяет упрочнить рабочую поверхность детали, а также восстановить ее геометрические размеры. Требования к размерной точности, шероховатости, твердости поверхностного слоя детали можно обеспечить в результате следующей последовательности способов механической и упрочняющей обработок: обтачивание предварительное, ЭМН с ППД, шлифование предварительное и чистовое (таблицы 6.2 и 6.3). Принятая последовательность способов обработки представлена в виде схемы (рисунок 6.3).

 

 

Рисунок 6.3 – Схема комплекса способов и результаты упрочнения в электромагнитном поле в сочетании с поверхностным пластическим деформированием и последующей обработки наружной поверхности вращения