Свойства детали, наследуемые в ходе технологического процесса

В ходе технологического процесса наследуются самые различные свой­ства обрабатываемого объекта. В процессе наследования активную роль играет собственно технологическая система. Технологическое обеспечение качества деталей проявляется по направлениям, рассмотренным ниже.

1. Форма детали, предложенная конструктором, уже порождает геометрические отклонения, возникающие при обработке резанием. Эти отклонения являются специфическими и вполне определенным образом связаны с геометри­ческой формой поперечных и продольных сечений детали. Наследование конструктивных форм состоит, прежде всего, в возникновении, устойчивом сохранении и передаче от одной операции к другой особенностей заготовок в различных сечениях. Сущность явления сводится к тому, что заготовки в зависимости от конструктивных особенностей обладают различной жесткостью или температурными деформациями в разных точках под действием сил резания или нагрева и получают в ходе технологического процесса или эксплуатации различные перемещения, вызывающие погрешности готовых изделий.

Заготовки, обрабатываемые на металлорежущих станках, обладают переменной жесткостью по углу поворота. Так, если в цилиндрической заготовке есть фасонное отверстие, то вследствие ее переменной жесткости под действием постоянной силы резания в ней будут возникать различные упругие перемещения. Поэтому форма отверстия определенным образом будет пере­несена на наружную обрабатываемую поверхность, которая уже не может быть круговым цилиндром. Отклонение от цилиндричности оказывается вполне определенным образом связанным с расположением, например, про­дольных канавок в цилиндрическом отверстии, поскольку эти отклонения возникают не в произвольных, а в определенных местах. Таким образом, кон­структор проектирует деталь, задает ей форму, но одновременно и создает предпосылки для возникновения погрешностей в ходе обработки. Величины этих погрешностей зависят, естественно, от жесткости детали, схемы ее закрепления и силовой картины при обработке.

2. Наследование конструктивных форм в связи с изменением температуры при обработке заготовок видно даже на деталях простых конфигураций. При врезном шлифовании цилиндрических заготовок очевидно, что тепло­отдача у торцов значительно больше, чем в середине заготовки. В результате этого температурные деформации в середине ее оказываются большими, чем у торцов, что проявляется на остывшей детали в виде отклонения от цилиндричности. Если в общем случае при обработке нагревание заготовки оказывается неравномерным, то различные отклонения (погрешности) распределяются по очень сложным законам, но по-прежнему наблюдается их прямая зависимость от конструктивных форм детали.

3. Особенно ощутимо влияние на качество деталей наследование свойств материала обрабатываемых заготовок. Пороки исходных заготовок, возника­ющие в металлургическом производстве, имеют наследственный характер и, если не ликвидируются, также проявляются в ходе механической обработки резанием в виде закатов, раковин. С металлургическим производством связаны различные структуры материала заготовок. Обнаружение наследственных пороков часто происходит на финишных операциях, когда уже поздно что-либо предпринять.

4. Большой интерес представляет вопрос о наследственной природе ста­рения материалов, приводящего к изменению размеров и формы ответ­ственных поверхностей. Установлено, что если на предшествующих операциях заготовка деформирована хотя бы с малой, но конечной скоростью, в материале возникают неравновесные состояния, которые обусловливают процессы ползучести, происходящие уже в готовом изделии. Деформирование же может происходить не только в процессе обработки заготовок, но и сборки.

5. Если вредные примеси не ликвидированы тем или иным способом в ме­таллургическом производстве, они остаются на всех операциях и переходах механической обработки. Наличие включений в сплавах понижает их релаксационную стойкость.

Среднеуглеродистая сталь, например, имеющая в структуре неравномерно распределенные включения избыточного графита, отличается низким пределом упругости и неудовлетворительной релаксационной стойкостью, т. е. склонностью к повышенному изменению форм деталей с течением времени.

Вопрос о наследственной природе некоторых свойств металлов имеет первостепенное значение при получении ответственных поверхностей с малой шероховатостью для высокоточных кинематических пар.

Так, на шейках шпинделей из стали 38ХМЮА появляются дефекты в виде сыпи. Поскольку дефекты обнаруживаются после финишной обработки (суперфиниширования), то объяснения этого явления связывают с особенностями проведения финишной операции. На самом же деле снижение качества шпинделей произошло значительно раньше, еще на операции химико-термической обработки, когда по границам зерен возникли нитриды. Нитриды, будучи чрезвычайно хрупкими, выкрошились еще на операции шлифования, но обнаружены визуально на суперфинишированной (зеркальной) поверхности.

Примеры такого рода еще раз убеждают в том, что достижением заданного качества деталей следует заниматься задолго до финишных операций на основе рассмотрения физико-химической картины явлений.

6. В формировании показателей качества значительную роль играет соб­ственно технологическая система и, в частности, технологическая оснастка. Базовые поверхности, используемые для установки заготовок на металлорежущих станках, всегда имеют отклонения от идеальных геометрических образцов.

Так, базы в виде центровых отверстий на деталях типа валов имеют на конической поверхности несколько волн. Следствием этого является переменная жесткость системы центр-заготовка по углу поворота последней. В результате обрабатываемая поверхность такого вала также приобретает волнистость, так как упругие отжатия технологической системы повторяют форму центрового отверстия.

Когда самоцентрирующие зажимные патроны закрепляют заготовку по цилиндрической поверхности, то ось патрона не совпадает с осью заготовки, поскольку всегда установочная цилиндрическая поверхность имеет в по­перечном сечении овал. Смещение центров заготовки и патрона снижает ка­чество получаемой детали: технологическая система в этом случае повторяет форму заготовки, а различные глубины резания являются причиной неравно­мерного распределения напряжений с последующим изменением формы, короблением и пр. Такого типа смещениями можно пренебречь на некоторых заготовительных операциях изготовления деталей низкой точности, при получении же деталей высокой точности пренебрежение указанными наследственными погрешностями является серьезной ошибкой.

7. Особенно важен учет упругих деформаций при обработке корпусных деталей. Их жесткость визуально оценивается очень высоко, и поэтому силы для закрепления при обработке заготовок часто превышают допустимые зна­чения. Следствием этого являются значительные деформации, расчет которых весьма труден. Деформации же особенно сильно снижают качество таких деталей и всей машины, поскольку именно корпусные детали, играя роль базовых, уже не обеспечивают заданное взаимное расположение целых групп деталей относительно друг друга. В производственных условиях такие задачи решают отработкой рациональной схемы закрепления, исходя из условий наименьшей передачи деформаций на обрабатываемые поверхности.

Процесс технологического наследования в ходе обработки резанием предполагает два направления, по которым формируются качественные по­казатели детали. В соответствии с первым направлением показатели отражают все свойства обрабатываемого объекта. Второе направление связано с особенностями проведения самой операции. Готовая деталь отражает особенности обоих направлений.

Эту мысль проиллюстрируем примером растачивания отверстия в заготовке. Заготовка обязательно имеет наследственные погрешности в виде отклонений формы отверстия, что связано с проведением предшествующих операций. При установке заготовки на станок возникнет отклонение от соосности шпинделя и отверстия. Эта погрешность будет сочетаться с наследственными погрешностями и в каждый момент времени глубина резания будет различной. Поэтому и сила резания будет изменяться по углу поворота шпинделя. Вместе с ней будет изменяться и деформация системы. Этот процесс осложнится тем, что расточной шпиндель по углу поворота имеет переменную жесткость. Все эти причины, соответствующие двум указанным выше направлениям, приводят к формированию поверхности отверстия, форма которого в первом приближении может быть предсказана.

8. Различные методы механической обработки резанием могут создавать в поверхностных слоях различную структуру материала. Изменение при этом твердости поверхностей трения решающим образом влияет на износостойкость деталей. При точении твердосплавным инструментом сталей, имеющих ферритно-перлитную структуру, твердость существенно изменяется в зависимости от скорости резания. Возникающий в процессе резания наклеп поверхности вызывает структурно-неустойчивое состояние металла, которое с течением времени стремится возвратиться к исходному и зависит от условий проведения предшествующих операций. В реальных деталях распределение величин наклепа по обработанной поверхности определяется их конфигурацией. На пред­шествующих операциях с увеличением глубины резания и подачи увеличи­вается глубина наклепанного слоя. После обдирки в отдельных случаях глубина слоя может достигать 1,5…2,0мм. На финишных операциях она, как правило, незначительна. Таким образом, наибольшие по глубине наклепанные слои создаются в основном на предварительных операциях, всегда имеют наследственную природу, и их следует учитывать при оценке качественных показателей деталей.

9. Процесс образования напряжений в поверхностных слоях в ходе механической обработки резанием связан со свойствами материалов и предвари­тельной термической обработкой.

Например, вследствие обтачивания закаленных гильз диаметром 117 мм с постоянной глубиной резания, в отдельных случаях происходит перерас­пределение напряжений и возникают отклонения от круглости отверстий в 1,0…1,8мм, что соответствует возрастанию отклонений от круглости по сравнению с исходным в 15…20 раз. Обтачивание же незакаленных гильз тех же размеров может вызвать отклонение от круглости не более 0,1мм.