ГЛАВА III
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ТРУДОЕМКОСТЬ
§ 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ В ПРОЦЕССАХ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ, ОБРАБОТКИ И СБОРКИ
Всякий механический, физический, электрохимический или иной процесс, связанный с заданным изменением состояния предмета производства, может протекать с различной интенсивностью, что оказывает влияние на качественные характеристики изделий и производительность технологического процесса. Уровень интенсивности процесса характеризуется технологическими режимами. Оптимизация параметров технологического режима является важным этапом работы конструкторов и технологов при установлении обоснованных технических требований к изделию и проектирований технологических процессов формообразования, обработки и сборки.
Разрабатывая, например, технологию горячей обработки металлов давлением (ковки, штамповки), следует иметь в виду, что заготовка получает наилучшие физико-механические качества при правильно выбранной для данной детали степени уковки металла, определенной ориентации волокон металлоструктуры, а также соблюдении надлежащего термомеханического режима обработки. Так, ковку и горячую штамповку надо осуществлять при температурах, обеспечивающих полную рекристаллизацию металла в процессе обработки давлением. При частичной рекристаллизации возможно образование неоднородной структуры, что снижает эксплуатационные качества будущей детали и затрудняет самый процесс деформирования. Полнота рекристаллизации Зависит не только от температуры, но и от скорости деформирования. С повышением последней рекристаллизация затрудняется. Для каждого сплава устанавливается максимально допустимая температура (а в отдельных случаях и скорость) нагрева и оптимальная температура окончания обработки давлением.
Температурные интервалы ковки и штамповки углеродистой и легированной стали различных марок, а также сплавов цветных металлов приведены в технологических справочниках. Превышение установленной температуры нагрева вызывает перегрев, обусловливающий крупнозернистую структуру заготовки, а при температурах, близки к температуре плавления, наступает пережог, делающий металл заготовки непригодным для использования в качестве конструкционного материала. Нагрев заготовок из легированной стали с низкой температуропроводностью, а также заготовок крупных размеров следует вести путем постепенного повышения температуры (например, в методических печах) с соблюдением допустимой скорости нагрева. Продолжение обработки давлением при температурах ниже оптимальной вызывает перенаклеп металла, а в металле повышенной твердости может привести даже к образованию трещин. Если деформирование заканчивается при температурах, значительно превышающих оптимальную, структура металла становится крупнозернистой.
Технологический режим получения отливок характеризуется температурой, при которой металл заливают в форму или камеру, давлением, под которым жидкий сплав подают в формы (при литье под давлением), скоростью вращения формы при центробежном способе литья и т. д., а также условиями охлаждения отливок. Параметрами технологического режима термической (или химико-термической) обработки стали, обусловливающими заданные механические, физические и физико-химические свойства материала, являются температура и скорость нагрева заготовки, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения. Технология и режимы термической и химико-термической обработки изучаются в курсе «Материаловедение».
Важное влияние на физико-механические качества деталей машин и их технико-экономические показатели оказывают технологические режимы обработки резанием. Основными параметрами, характеризующими технологический режим резания, служат глубина резания t, подача s и скорость резания v; уровень режима резания определяет силу (момент) и мощность, затрачиваемую на процесс обработки. Оптимизация технологического режима при обработке резанием состоит в установлении сочетания параметров t, s и v, обеспечивающего заданное качество обрабатываемой поверхности при минимальной трудоемкости и себестоимости обработки с учетом наиболее полного использования режущих свойств инструмента и эксплуатационных возможностей технологического оборудования. Основными исходными данными для назначения режима резания, таким образом, являются тип и модель станка, физико-механические свойства материала обрабатываемой заготовки, требуемая точность и шероховатость обрабатываемых поверхностей, материал режущей части, геометрические параметры и стойкость инструмента, определяемая продолжительностью его работы до затупления. Режимы резания при различных видах обработки (точении, сверлении, фрезеровании и т. д.) устанавливаются по принципиально общей методике. Ниже данная методика рассмотрена применительно к условиям одноинструментной обработки резцами.
Глубина резания определяется величиной слоя материала заготовки, подлежащего удалению в процессе обработки. Для повышения производительности обработки следует стремиться выполнять каждый технологический переход за один рабочий ход или при минимальном числе рабочих ходов. Последнее ограничивается мощностью привода станка и требуемой точностью обработки.
Подачу для заданных условий обработки с позиций производительности процесса рекомендуется также назначать как можно большую. Однако максимальная величина подачи ограничивается рядом факторов: требуемой точностью и шероховатостью обрабатываемых поверхностей, прочностью и жесткостью режущего инструмента, жесткостью обрабатываемой детали, эксплуатационными возможностями станка. Максимально допустимую для заданных условий обработки подачу, выбранную с учетом указанных ограничений, называют технологической. Технологически допустимую подачу устанавливают на основе соответствующих геометрических и прочностных расчётов, а также расчетов на жесткость. Для конкретных условий обработки эти расчеты могут быть ограничены одним-двумя лимитирующими факторами (при чистовой обработке, например, такими факторами служат заданная точность и шероховатость обрабатываемой поверхности; прочность слабого звена станка в большинстве случаев не является лимитирующей и т. д.). Технологические ограничения величины подачи могут быть также установлены с помощью соответствующих нормативных данных, приведенных в справочной литературе.
Скорость резания, допускаемая режущим инструментом, определяется с учетом его стойкости (Т), глубины резания и подачи. Допустимая скорость резания при точении может быть рассчитана по уравнению
(ν — м/с; Т — мин; t — мм; s — мм/об).
Значения коэффициента Cv=60 C'υ и показателей и, χυ, yυ приведены в технологических справочниках в зависимости от вида обработки и материала режущей части инструмента. Поправочные коэффициенты kv1, kv2, ..., kvn учитывают влияние на скорость резания механических свойств материала и состояния поверхностных слоев обрабатываемой заготовки (наличие или отсутствие корки), марки инструментального материала, геометрических параметров резца и т. д.; значения этих коэффициентов также находят по справочникам. Скорость резания можно приближенно подсчитать как v=vн kυ1kυ2 ... kυn, где значения vн принимают для заданных условий обработки по нормативам На основе установленной скорости резания определяют частоту вращения η (с-1) заготовки:
1 См., например: Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках.— Москва: Машиностроение, 1974, ч. I и II.
длина поверхности сопряжения, мм; р — давление на контактирующих поверхностях, МПа.
Величину р определяют зависимостью
где α — коэффициент линейного расширения материала детали, подвергающейся тепловому воздействию, 1/°С.
Найденное значение tc следует увеличивать при нагревании или уменьшать при охлаждении на 20-30% для компенсации его изменения при перемещений нагретой или охлажденной детали на сборочную позицию, а также для получения гарантированного монтажного зазора в посадке. Время, требуемое для нагрева или охлаждения детали до заданной температуры, определяют опытным путем или рассчитывают.
Данные по выбору технологических режимов при выполнении различных слесарно-сборочных операций можно найти в соответствующих справочниках.
Особое место в процессах сборки занимает образование неразъемных соединений с помощью сварки. Технологические режимы в этих случаях оказывают решающее влияние на механические свойства швов сварных соединений, а следовательно, на эксплуатационные качества сварной конструкции, а также определяют производительность технологического процесса. Номенклатура параметров технологического режима зависит от способа сварки. Так, например, для автоматической сварки под флюсом основными параметрами сварочного режима являются сварочный ток, диаметр электрода (электродной проволоки), напряжение на дуге и скорость сварки. Кроме того, форма и качество сварного шва в данном случае обусловлены составом, состоянием и грануляцией флюса, наклоном электрода и изделия, конструкцией сварного соединения и другими факторами. При электрошлаковой сварке основными энергетическими параметрами сварочного режима являются напряжение на сварочной ванне и сварочный ток; на процесс сварки и сварное соединение, кроме того, оказывают влияние скорость перемещения, количество и сечение электродов, зазор между кромками свариваемых деталей, глубина шлаковой ванны и др. Основные составляющие режима автоматизированной сварки в углекислом газе — сварочный ток, диаметр электродной проволоки, напряжение на дуге, скорость сварки, расход углекислого газа, вылет и наклон электрода. Влияние указанных параметров на форму сварного шва примерно такое же, как и при сварке под флюсом. Режим контактной точечной сварки включает диаметр контактной поверхности электрода, усилие, приложенное к электродам, продолжительность включения сварочного тока, его величину и потребную мощность сварочной машины.
Данные, необходимые для установления технологических режимов при различных способах сварки, приводятся в специальной литературе. Оптимальные режимы ручной дуговой сварки покрытыми электродами (сварочный ток и диаметр электрода), а также механические свойства сварных швов и другие данные содержатся в паспортах электродов.
Оптимизация технологических режимов процессов формообразования, обработки и сборки — важная задача общей проблемы повышения эффективности производства и качества выпускаемой продукции. Решение этой задачи в настоящее время успешно автоматизируется с помощью современных средств вычислительной техники.