Совершенствование технологического процесса изготовления фрез (стр. 15 из 20)
При обработке покрытий резанием имеют место значительные колебания сил резания и контактных нагрузок на поверхности инструмента [65]. Следовательно, напыленные покрытия являются труднообрабатываемыми, и поэтому довольно сложно обеспечить высокое качество обработанной поверхности. При точении деталей с покрытиями значительно труднее получить однородную микрогеометрию поверхности, чем при обработке литых и прокатных металлов.
Кроме того, при обработке покрытий возникает сложное напряженно-деформированное состояние, связанное с особенностями структуры покрытий, наличием переходной зоны между покрытием и основным металлом детали, а также возникновением термических напряжений вследствие различных коэффициентов термического расширения покрытия и основного металла детали. При этом имеет место более сложная картина распространения тепловых потоков, связанная с различными теплофизическими свойствами материалов покрытия и основы детали. Во многих случаях необходимо также учитывать физико-химические процессы, имеющие место в зоне контакта инструмента и обрабатываемого покрытия.
Полный процесс обработки деталей с покрытиями включает следующие основные этапы:
обработку заготовки из основного материала, в т. ч. подготовку установочных баз для окончательной обработки детали после нанесения покрытия;
специальную обработку поверхностей деталей под нанесение покрытий, обеспечивающую высокую прочность сцепления покрытия с основным металлом детали;
нанесение покрытий;
дополнительную обработку деталей после нанесения покрытий (термическую, оплавление или пропитку покрытий и др.);
окончательную размерную обработку, в основном поверхностей с покрытиями.
Технологический процесс изготовления детали с покрытием, с точки зрения обеспечения требуемой точности, значительно отличается от процесса обработки деталей из однородных материалов. При обработке однородных заготовок последовательность технологических операций строится по принципу постоянного снижения шероховатости и повышения точности поверхностей, начиная от заготовки, поверхности которой имеют максимальную шероховатость и минимальной точность. Операция нанесения покрытия, для которой характерны низкие точность и шероховатость, располагается в ходе технологического процесса между операциями механической обработки, обеспечивающими относительно лучшие показатели по точности и шероховатости. Для оценки изменения точности заготовки на операциях нанесения покрытий а также на предшествующих и последующих операциях механической обработки Ю.А. Харламовым предложен термин "уточнение".
На этапе предварительной обработки заготовки уточнение
(5.1)где dз1, dз2 — допуски на размеры исходной заготовки и после предварительной обработки;
на этапе нанесения покрытия
(5.2)где бп — допуск на толщину наслаиваемого покрытия; К — коэффициент, учитывающий расположение покрытия относительно детали (при одностороннем расположении покрытия относительно контролируемого размера поверхности К=1, при двухстороннем К=2)
На этапе обработки покрытия
(5.3)где dд — допуск на размер поверхности с покрытием.
Таким образом, общее уточнение.
(5.4)При предварительной обработке осуществляется предварительное уточнение заготовки, при нанесении покрытия достигнутая точность снижается, а при обработке покрытия обеспечивается уточнение до получения отклонений размеров, заданных чертежом детали. Поскольку в качестве покрытия обычно применяют более дорогие материалы, чем основной, достаточно определить предельные размеры заготовок до и после нанесения покрытий, например, по методикам Ю. А. Харламова
В случае отсутствия каких-либо специальных требований свободную поверхность покрытия можно не подвергать размерной обработке при соблюдении условия dз2+КdП£dД. При dз1+КdП£dД не нужно осуществлять ни предварительной обработки заготовки, не размерной обработки нанесенного покрытия.
Технологическая наследственность оказывает большое влияние на формирование качества деталей с покрытием, особенно на образование адгезионных связей, в ряде случаев являющихся определяющими в обеспечении требуемых работоспособности и долговечности. Наличие адсорбированных слоев, окислов и загрязнений на поверхностях заготовок ухудшает или вообще исключает возможность непосредственного контакта материалов покрытия и основы. Микротрещины на поверхности заготовки могут служить сильными концентраторами напряжений в процессе нанесения и эксплуатации покрытий и привести к катастрофическому разрушению детали. Все эти факторы являются определяющими при выборе способа подготовки поверхности под покрытие.
При нанесении многих видов покрытий необходимо учитывать продолжительность выполнения отдельных операций технологических процессов или перерывов между ними, т. к. они влияют на состояние и температуру поверхности, структуру материалов и, следовательно, на качество покрытия. Вид обработки может существенно изменить структуру и свойства первоначально нанесенных покрытий. Обрабатываемость покрытий зависит от их материала, структуры, технологических особенностей нанесения, основного материала детали, ее геометрии и других факторов.
Подготовка поверхностей деталей к нанесению покрытий может заключаться в выполнении таких операций, как обезжиривание, очистка и мойка, механическая обработка со снятием или без снятия стружки, струйно-абразивная и другие виды обработки свободными абразивами, электроискровая обработка, химическое травление, очистка тлеющим разрядом, изоляция поверхностей, не подлежащих покрытию, и пр. Показатели качества деталей с покрытиями формируются на всех этапах их изготовления. Носителями наследственной информации являются основной материал детали, материал покрытия, поверхностные слои, прилегающие к поверхности раздела материал — покрытие, а также геометрические параметры детали.
До настоящего времени распространенным видом обработки деталей с покрытиями являлось шлифование. Однако интенсивное термомеханическое воздействие, оказываемое на поверхностный слой при данном виде обработки, приводит к образованию трещин и прижогов. В случае отсутствия явных дефектов шлифованная поверхность имеет остаточные напряжения растяжения, что снижает эксплуатационные характеристики (усталостную прочность) детали. В. В. Шпановым показано, что для снижения вредного влияния высокой температуры при шлифовании приходится постоянно осуществлять правку круга, что увеличивает расход абразивного инструмента. Часто напыленный слой имеет толщину, на порядок превышающую необходимую. Уменьшение толщины покрытия из-за нестабильности процессов его нанесения вызывает появление участков с низким качеством покрытия. Поэтому иногда приходится удалять 90—95 % нанесенного материала. Из-за этого абразивная обработка становится значительно дороже, а в некоторых случаях себестоимость восстановленной детали может даже превысить себестоимость новой.
Более прогрессивным методом обработки напыленных покрытий является обработка инструментом с геометрически определенным лезвием. Вопросы перехода к лезвийной обработке покрытий исследованы С.А. Клименко, и Г.А. Иващено. В частности показано, что для поверхностей обработанных точением вполне достижимы требования по точности и шероховатости, характерные для шлифованных поверхностей.. Точение по сравнению со шлифованием позволяет повысить износостойкость обработанных деталей, поскольку в обработанной поверхности создаются остаточные напряжения сжатия благоприятные для эксплуатации детали. Ю. Н. Алексеев показал, что износостойкость образцов, обработанных лезвийным инструментом, в 1,5 раза выше, чем обработанных шлифованием. Еще одним преимуществом токаной обработки является улучшение экологичности технологического процесса, поскольку переход от шлифования к точению позволяет проводить обработку без использования СОЖ.
При точении общая термомеханическая нагрузка на поверхность гораздо ниже, чем при шлифовании. Однако если при шлифовании воздействие инструмента на поверхность распределено по достаточно большому участку поверхности (условно можно предположить, что контакт происходит по линии длиной равной ширине шлифовального круга), то при точении вся нагрузка локализована на гораздо меньшей площади (условно можно предположить контакт по точке – вершине резца). Следовательно, локальные нагрузки при точении гораздо выше, чем при шлифовании.
При обработке напыленных покрытий указанная закономерность выступает в качестве одного из основных сдерживающих факторов, т.к. при пониженной прочности по границе покрытие-основа в случае перехода от шлифования к точению возможно отслоение покрытия.
В силу изложенного технологии точения напыленных покрытий не находят широкого применения.
Более широкое внедрение точения напыленных покрытий неразрывно связано с разработкой методов, позволяющих рассчитать уровень напряжений, возникающих в системе покрытие, основа, режущий инструмент и подобрать режим обработки и геометрию инструмента, а также параметры напыленного покрытия, обеспечивающие его надежную обработку без отслоения.