Твердое точение: технологические возможности и экономическая эффективность

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ИНСТРУМЕНТ»

Сравнение точности и качества поверхности при шлифовании и твердом точении были рассмотрены в первой части статьи (см. «Оборудование и инструмент для профессионалов», №1/2009). Во второй части обзора приведены технологические факторы, влияющие на эффективность использования твердого точения, проведен сравнительный анализ гибкости и экономичности процессов.



Янош Кундрак,
д.т.н., проф.,
 Мишкольцский университет (Венгрия)

 

Hard Turning: Technological Facilities and Economic Effectiveness
Hard turning instead of grinding can only be applied under certain conditions. In order to make the right decision, several data was investigated: form and dimension of the workpiece, size and continuity of the surfaces to be machined, clamping ability, demands on accuracy and surface roughness, form and positional errors, workpiece hardness and allowances. The examinations showed that the machining of the bore-hole disc-type workpieces can be carried out by hard turning effectively. In hard turning the machining times and the procedure times decrease significantly and the case of the disc-type part with a bore having been examined so far, it is unambiguously a more economical procedure than grinding.

Технологические факторы

Станок для твердого точения

Наиболее важным фактором, определяющим возможность применения твердого точения, является станок соответствующей точности. Нужно принимать во внимание, что при высокоскоростном точении внутренних поверхностей инструментом с отрицательным передним углом отделение обрабатываемого материала сопровождается высокой усадкой стружки, что связано с большой интенсивностью обработки, повышенными силами резания и более высокой температурой (при режимах резания, аналогичных точению наружных поверхностей). Твердость закаленной стали соответствует стеклу, поэтому высокие нагрузки на режущий инструмент и обрабатываемую деталь могут приводить к нестабильности всей системы СПИД (станок–приспособление–инструмент–деталь), что требует применения оборудования повышенной жесткости (рис. 1).

Важными преимуществами такого оборудования, с точки зрения технологии производства, будут сокращение количества станков и занимаемой ими площади, а также сокращение цикла обработки. Система требований к такому станку подробно описана в технической литературе.

Твердость материала заготовки и припуск на обработку

По данным производителей инструмента из PCBN, его режущая способность будет достаточной, если твердость материала заготовки составляет 50–65 HRC. Соответственно, этот интервал должен приниматься как условие применимости процесса твердого точения.

Кроме того, необходимо определить минимальный и максимальный припуск на обработку. Согласно нормативам ряда производителей инструмента, максимальный припуск на обработку составляет 0,5 мм. Таким образом, шестерни среднего размера, используемые в коробках передач, могут обрабатываться за один проход инструмента, так как максимальный припуск для них составляет 0,3 мм. Впрочем, в зависимости от требований к обработке, иногда существует необходимость и дополнительного чистового прохода.

Минимальный припуск на обработку определяется минимальной глубиной резания, которая может быть обеспечена инструментом из PCBN. Ее значение составляет 0,02 мм для наиболее распространенного инструмента обычной точности. При меньших значениях инструмент уже не внедряется в обрабатываемый материал, а пластически его деформирует.

Протяженность и непрерывность обрабатываемой поверхности

Длина обрабатываемой поверхности детали типа «диск» невелика и не накладывает ограничений на применение твердого точения. Короткая длина обработки не может привести к такому износу инструмента, который отразился бы на точности или шероховатости обработанной поверхности.

Однако непрерывность или прерывистость обработки должны приниматься во внимание. Прерывистая поверхность не определяет применимость процесса обработки точением, но влияет на режимы обработки, главным образом, на скорость резания. Здесь необходимо учитывать рекомендации производителей инструмента.

В зависимости от степени прерывистости поверхности можно классифицировать по четырем группам: особо прерывистые, сильно прерывистые, слабо прерывистые и непрерывные. При обработке шестерен встречаются слабо прерывистые поверхности на торцах. Производитель инструментов Toshiba Tungaloy рекомендует принимать скорость резания 300 м/мин для непрерывных поверхностей заготовок твердостью 58–65 HRC и 200 м/мин — для слабо прерывистых.

Возможность закрепления заготовки на станке

Проверка этого условия довольно формальна, но и его необходимо принимать во внимание. Обычно в инструкции по эксплуатации станка можно легко найти ответ на этот вопрос. Другая потенциальная проблема связана с возможностью применения обычного патрона. Если заготовка базируется по поверхности зубьев, то приходится использовать специальные приспособления, разработанные с учетом профиля зубьев (рис. 2).

Гибкость и экономическая эффективность

Одно из основных преимуществ твердого точения при обработке отверстий, по сравнению со шлифованием, — это высокая гибкость и возможность обработки деталей со сложной геометрией за один переход. Это преимущество особенно важно при обработке деталей с большим количеством коротких поверхностей различной формы, а также при необходимости обработать наружные и внутренние поверхности. В частности, при необходимости растачивания отверстий, обработки плоскостей и конических поверхностей (табл. 1).

С момента появления сверхтвердых инструментальных материалов основным препятствием для их широкого промышленного применения была высокая стоимость. Однако со временем их десятикратное превосходство в цене традиционных инструментальных материалов стало устраивать производителей, поскольку были усовершенствованы конструкции инструментов и выросла эффективность самой технологии обработки.

Основное преимущество твердого точения проявляется при чистовой обработке закаленных деталей типа «диск». Такие детали используются в конструкциях различных приводов и массово выпускаются, например, предприятиями автопрома. В отличие от традиционного шлифования, твердое точение позволяет сократить время их обработки.

Данный тип деталей может классифицироваться по четырем группам, в зависимости от обрабатываемых поверхностей (табл. 2):

  • только растачиваемая поверхность;
  • растачиваемая поверхность и одна из сторон шестерни;
  • растачиваемая поверхность и обе стороны шестерни;
  • растачиваемая поверхность, обе стороны шестерни и коническая посадочная поверхность.

В ходе исследования устанавливалось, могут ли эти детали быть обработаны с необходимой точностью и шероховатостью. Иными словами, наша цель была проанализировать технико-экономическую целесообразность применения твердого точения.

В табл. 3 приведены геометрические характеристики обработанных шестерен, которые использовались в ходе экспериментальных исследований.

На рис 3. представлены деталь, а также операции шлифования и твердого точения, наиболее комплексные с точки зрения обработки.

Рост эффективности технологии обработки может быть легко выражен посредством двух характеристик:

  • интенсивность съема материала (Qw);
  • удельная площадь обработанной поверхности (Aw).

Расчетные данные для обработанных отверстий показывают, что интенсивность съема материала при твердом точении существенно выше, чем при шлифовании (табл. 4). Теоретические значения удельной площади обработанной поверхности выше для шлифования. Однако реальные значения, полученные с учетом припуска и времени на обработку при заданной точности и шероховатости поверхности, выше для твердого точения (табл. 5).

Экономичность процесса твердого точения определена на основе расчетных данных, которые также учитывают время. Длительность обработки при твердом точении всегда ниже, чем при шлифовании (табл. 6). Это следует уже из приведенных выше показателей технологической эффективности, но если учесть время, затрачиваемое на установку абразивного круга, то выводы будут однозначными.

Результаты расчета можно выразить в процентах от времени для операции шлифования: подготовительное время для твердого точения составляет 8–13 % (в среднем 9 %), время на обработку — 25–65 % (43 %) и операционное время 9–43 % (34 %).

Экономичность процесса твердого точения также может быть выражена в денежном выражении. Анализ затрат осуществлялся на основе данных предприятия, на котором уже был внедрен процесс твердого точения. В расчетах учитывались почасовая оплата труда рабочего, затраты на инструмент и производственное оборудование.

Калькуляция затрат показана на рис. 4. Экономия, полученная при производстве одной шестерни, пропорциональна приведенным данным.

Существенная экономия была достигнута в оплате труда, поскольку на операции твердого точения рабочий может обслуживать два станка одновременно, что невозможно на операции шлифования.

Еще одно преимущество твердого точения — это отсутствие расходов на СОЖ, поскольку данная технология предполагает сухое резание. Таким образом она исключает загрязнение окружающей среды и образование вредных отходов. Кроме того, стружка, образованная в процессе твердого точения, может быть повторно переработана.

Заключение

Твердое точение является реальной альтернативой процессу шлифования. Преимущества твердого точения при обработке отверстий (для рассмотренной геометрии деталей) по сравнению со шлифованием заключаются в следующем.

Экономичность

При растачивании отверстий интенсивность обработки твердым точением значительно выше. При обработке деталей типа «диск» существенно сокращается машинное время.

Экологичность

Сухое резание при твердом точении выгодно отличает его от шлифования.

Гибкость

Обработка может осуществляться одним инструментом за одну операцию.

Качество

Процесс удовлетворяет требования к точности и качеству обработки поверхности.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.