Квалификация (степень)                            бакалавр

ПРОЦЕССЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТЫ

Направление подготовки     221000 "Мехатроника и робототехника"

Профиль подготовки            Наладка, программирование и эксплуатация мехатронных и робототехнических систем

Квалификация (степень)                            бакалавр

Форма обучения                                         дневная очная

Составитель программы

Дияк А.Ю. доцент, к.т.н., кафедра «Оборудования и автоматизации машиностроения»

 

Иркутск 2013 г.

1. Информация из ГОС, относящаяся к дисциплине

Вид деятельности выпускника.

 

Дисциплина охватывает круг вопросов относящихся к следующим видам профессиональной деятельности выпускника:

- проектно-конструкторская;

- научно – исследовательская.

Задачи профессиональной деятельности выпускника.

В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС задачи профессиональной деятельности выпускника:

 

Проектно-конструкторская:

- разработка проектной конструкторской документации технического проекта по составным частям изделия; разработка проектной программной документации технического проекта (ТП) по составным частям изделия.

Научно - исследовательская:

- разработка моделей (математических, физических и др.) - изделий, воспроизводящих или имитирующих конкретные свойства заданного изделия или его составной части и изготовленных для проверки принципа его действия и определения отдельных характеристик;

- разработка макетов - упрощенных воспроизведений в определенном масштабе изделия или его составной части, на котором исследуют отдельные характеристики изделия, а также оценивают правильность принятых технических и конструктивных решений.

 

Перечень компетенций, установленных ФГОС

 

Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у обучающегося следующие компетенции:

способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-9);

 

- применять необходимые для построения моделей знания принципов действия и математического описания составных частей мехатронных и робототехнических систем (ПК-1);

- применять контрольно - измерительную аппаратуру для определения характеристик и параметров макетов (ПК-2);

- способность и готовность разрабатывать конструкторскую проектную документацию механических сборочных единиц и деталей мехатронных и робототехнических систем (ПК-3);

- разрабатывать технологические процессы изготовления, сборки и испытания проектируемых узлов и агрегатов (ПК-4).

 

Раздел 1. Инструментальные материалы

Раздел 2. Геометрия резца. Параметры режима и сечения среза

Раздел 3. Стружкообразование и контактные процессы

Раздел 4. Силы резания

Раздел 5. Тепловые процессы при резании

Раздел 6. Износ и стойкость инструмента

Раздел 7. Методика выбора режима резания

Раздел 8. Шлифование

Раздел 9. Качество поверхностного слоя деталей машин

Раздел 10. Общие конструктивно-технологические решения для режущих инструментов

Раздел 11. Основные типы резцов

Раздел 12. Осевой инструмент для обработки отверстий: сверла, зенкеры, зенковки, развертки

Раздел 13. Расточные и комбинированные инструменты

Раздел 14. Протяжки и прошивки

Раздел 15. Фрезы общего назначения

Раздел 16. Резьбообразующий и зуборезный инструмент

 

5.2.  Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем дисциплины

Раздел 4. Силы резания

Силы резания. При точении на резец действует результирующая сила, величина и направление которой зависят от конкретных условий работы инструмента: физико-механических свойств обрабатываемых материалов, геометрических параметров режущей части резца, схемы резания, параметров режима резания и других условий. Для удобства изучения действия результирующей (общей силы) ее принято раскладывать на три составляющие.

Технологическими составляющими силы резания называют ее проекции на технологические оси x, y, z:

– ось x направлена вдоль подачи S;

– ось y перпендикулярна к обработанной поверхности;

– ось z совпадает с вектором V скорости главного движения

Значения перечисленных сил необходимо знать при назначении мощности двигателя станка, расчете и проверке механизмов коробки скоростей и коробки подач, расчете режущего инструмента на прочность и жесткость, определении жесткости узлов станка и приспособлений, анализе условий появления вибраций и решении других инженерных задач.

Основой для определения составляющих сил резания в зависимости от параметров режима резания (t, s, v) являются эмпирические формулы вида:

где C_Pz, C_Py и C_Px – постоянные коэффициенты, учитывающие свойства обрабатываемого материала, геометрию режущей части, условия смазки, охлаждения и прочие особенности процесса резания; X_Pz, X_Py, X_Px, Y_Pz, Y_Py, Y_Px, Z_Pz, Z_Py и Z_Px – показатели степени, характеризующие закон изменения составляющих силы резания в зависимости от параметров режима t, s, v.

 

Раздел 8. Шлифование

Резанием материала абразивным инструментом можно обеспечить точность обработки IT5…7 и шероховатость Ra 0,08…0,25 мкм. В основном используется для чистовых операций, возможно черновые обдирочные операции, с припуском на обработку до 6мм, кругами с большим диаметром 2…3м. Этим обеспечивается высокая производительность и экономичность.

Различают шлифовальные круги, шлифовальные головки, лепестковые шлифовальные круги, ленты, порошки, бруски, хонинговальные головки и прочие.

Основные схемы шлифования.

Различают круглое наружное шлифование продольное и врезное, круглое внутреннее шлифование, бесцентровое шлифование и плоское шлифование периферией и торцом.

При круглом наружном шлифовании (B<L) достигаются наименьшие параметры шероховатости, минимально тепловыделение, лучшее качество шлифуемой поверхности. Осуществляются формообразующие движения вращения круга, вращения детали (круговая подача), движения поперечной и возвратно-поступательной продольной подачи. При шлифовании на проход зажим осуществляют в центрах. При обработке длинных, нежестких деталей используют люнеты, уменьшающие прогиб детали от шлифовального круга.

При врезном шлифовании (B>L) одновременно обрабатывается вся поверхность, метод более производительный. Используют при нем более широкие круги и мощные шлифовальные станки. В данном случае нет движения продольной подачи. Износ круга более влияет на качество детали, и круги выбирают более твердые, которые часто принудительно правят. Применяют при обработке коротких шеек, ограниченных буртами, ступенчатых и фасонных поверхностей, при одновременном шлифовании шейки и торца. Чаще в серийном и массовом производстве.

Бесцентровое круглое шлифование. Обрабатываемая деталь устанавливается на скошенный нож между шлифовальным и ведущим кругами. . Так как трение между деталью и ведущим кругом больше, то он задает вращение детали с определенной скоростью круговой подачи. Существует также два метода: продольное и врезное шлифование. При продольном бесцентровом шлифовании для осуществления движения продольной подачи детали путем поворота оси ведущего круга на определенный угол . Линейный контакт обеспечивается заданием ведущему кругу формы гиперболоида.

При врезном бесцентровом шлифовании угол , для поджатия детали к ножу, ведущий круг цилиндрический.

Поскольку деталь вращается свободно, исключаются деформации детали при зажатии, можно обрабатывать длинные и тонкие детали. Возможно обеспечение точности по IT5-6.

Внутреннее шлифование. Обрабатывают отверстия напроход и врезанием (короткие глухие отверстия, где нет канавок для выхода круга). Характеризуются малой жесткостью шпинделя, малый диаметр шлиф круга, поэтому снимают малые припуски. Диаметр абразивного круга максимально позволительный диаметром отверстия и составляет примерно . При отверстиях меньше 30мм, диаметр круга меньше на 1-3мм, иначе образуется большая поверхность контакта круга с деталью, что приводит к концентрации теплоты и возникновению прижогов.

Плоское шлифование периферией круга и торцом. Периферией более производительное, но большой контакт с деталью и возможен перегрев и назначают малые припуски и большие подачи. При шлифовании торцом во избежание перегрева ось шлифовального круга наклоняют на небольшой угол.

Алмазные шлифовальные круги

Значительно повышается качество инструмента и деталей при алмазной доводке при заточке, повышается стойкость.

Алмазные круги состоят из корпуса (Ст 3, сталь 45) и алмазоносного слоя (зерна алмазов (0,2…1 карат), связка и наполнитель). Зернистость обозначается в микронах дробью  наибольшие и наименьшие размеры зерен. Связка занимает до 50% алмазоносного слоя.

Применяется:

 - органическая связка (бакелитовая) для чистовой заточки и доводочных работ;

- металлическая связка (хорошо сохраняют форму, но есть склонность к засаливанию, высокая теплопроводность и термостойкость) используется без наполнителя в алмазоносном слое, применяется для предварительных операций с большими объемами съема металлов, заточки ТС, профильного шлифования, шлифования труднообрабатываемых сплавов;

- гальваническая связка (одно или многослойное алмазо-никелевое покрытие на опорном металлическом корпусе) характеризуется высокой режущей способностью, исполнением любой геометрии, низкой ценой и хорошей теплопроводностью. Применяют для резки и шлифования полупроводниковых материалов, для изготовления притиров, алмазных головок, для ручного инструмента.

Наполнитель алмазоносного слоя выполняет функцию опоры для алмазных зерен 25…45%. Используют в качестве наполнителя 1 – карбид бора, 2 – железный порошок, 3 – белый электрокорунд, 4 – карбид кремния зеленый.

Концентрация алмазов указывается в %, так 100% - это 0,878 мг/мм³ (25%, 50%, 75%, 150%). При небольшой контактной поверхности между шлифовальным кругом и обрабатываемой деталью необходимо выбирать высокую концентрацию алмаза, благодаря чему обеспечивается износостойкость инструмента. При большой контактной поверхности требуется снизить температуру шлифования и уменьшить усилия шлифования, поэтому используют низкую концентрацию алмазов.

Режимы резания при шлифовании. (На примере продольного круглого шлифования)

1. Разработку режима резания начинают с установления характеристики инструмента и допустимой скорости вращения круга, опираясь на исходные данные и наличие станочного парка. . При этом ширину и диаметр круга берут максимально возможными.

2. Пересчет оборотов шпинделя с округлением до стандартного ряда. Далее пересчет фактической скорости резания.

3. Выбирают глубину резания на каждый ход или двойной ход.  меньшее значение для окончательных этапов обработки.

4. Назначают продольную подачу в долях от ширины круга

5. Определение круговой подачи – скорости вращения детали .

6. Пересчет часты вращения детали  с округлением до стандартного ряда с дальнейшим пересчетом фактической скорости вращения детали.

7. Расчет мощности резания

8. Основное время обработки

, где h – припуск на обработку, k – коэффициент выхаживания 1,2…1,4.

Шероховатость.

Шероховатость поверхности представляет собой совокупность микронеровностей с малым шагом на некоторой базовой длине.

Cложилось два подхода к описанию профиля поверхности – параметрический и непараметрический.

Параметрический подход предусматривает описание профиля поверхности совокупностью частных параметров, в число которых входят , ,  (высотные), ,  (шаговые) и (структурный), также – среднеквадратическое отклонение профиля, – средняя квадратическая длина волны профиля,   – средняя длина волны профиля,   – длина растянутого профиля, – относительная длина профиля, – плотность выступов профиля, – средний квадратический наклон профиля, – средний арифметический наклон профиля, – опорная длина профиля, которые описаны в ГОСТ 2789–73 и ГОСТ 25142–82, там же установлены требования на направления микронеровностей. Многие из перечисленных параметров используются только в исследовательских работах.

Национальные стандарты других стран в основном содержат в себе параметры, прописанные в международном стандарте ISO 4287. В них предусмотрены также специфические параметры, которые используют только в исследованиях. Практически во всех национальных стандартах присутствуют следующие параметры: , , , , в большинстве регламентирована .

Все существующие стандарты рассматривают только двухмерные параметры шероховатости, в последнее время принят ряд рекомендаций по терминологии для трехмерной параметризации микронеровностей. В исследовательских работах прибегают к нерегламентированным параметрам шероховатости трехмерного представления, аналогичным описанным в стандартах: высотные – , , ; шаговые – , , , ; и относительная опорная площадь – . Для математического описания трехмерной шероховатости обычно используют теоретико-вероятностный подход. Геометрию обработанной поверхности рассматривают как результат суммарного воздействия периодических факторов и случайных возмущений. При таком методе описания возможно создание только эмпирических формул.

Непараметрический подход базируется на интерпретации профиля реальной поверхности как реализации случайной функции. Микрогеометрия реальной обработанной поверхности зависит от большого количества факторов (режима резания, геометрии инструмента, вибрации технологической системы и т.д.). Поэтому ее следует рассматривать как реализацию стационарного процесса с нормальным распределением вероятностей. В качестве характеристик данного процесса чаще используют длину опорной линии профиля, среднее арифметическое отклонение, средний квадрат отклонений и прочие. При непараметрическом подходе также возможно трехмерное описание шероховатости как однородного изотропного случайного поля от двух переменных с использованием соответствующих функционалов-параметров.

Также используют для оценки функции плотности распределения ординат и углов наклона профиля.

Предпринимаются попытки представить микротопографию поверхности фрактальной кластерной моделью, что актуально шлифованных поверхностей, после электрохимической обработки, обработки с применением нанотехнологий. Поверхность описывают множеством поверхностей правильной формы и малого размера. 

Шероховатость получается в результате сложных процессов деформирования срезаемого слоя, ее можно условно разделить на составляющие: составляющая от геометрии используемого инструмента (зависит от подачи, углов в плане и радиуса при вершине инструмента), составляющая от упругого восстановления поверхностного слоя после прохождения резца (составляет около 3% от всей), пластическая составляющая (зависит практически от всех параметров резания), составляющая от износа инструмента (под давлением все микронеровности на вершине заполняются и копируются на обработанную поверхность, при чистовой обработке инструмент тщательно затачивают, не допускают значительно износа) и составляющая от вибраций в технологической системе.

Формулы расчета геометрической составляющей высотного
параметра шероховатости

		или

При увеличении радиуса при вершине шероховатость уменьшается, но при радиусах больших 2 мм возникают большие радиальные силы резания, что ведет к возникновению вибраций. Поэтому, если необходимо получение низкой шероховатости на нежестких деталях применяют резцы с зачищающей режущей кромкой 0-2⁰ или применяют технологию Wiper (модификация формы радиуса при вер­шине) в инструментах фирм Sandvik Coromant, Kennametal, Mitsubishi Carbide и прочих, что позволяет увеличить подачу без ухудшения качества по­верхности или улучшить шероховатость без потери производительности.

Различают продольную и поперечную шероховатость. Измеряют в основном в поперечном направлении как имеющим наибольшую величину. 

Измерение параметров шероховатости производиться различными по строению и методам приборами. Наиболее распространены приборы, основанные на профильном методе измерения, которые разделяются на контактные: различные профилометры и профилометры-профилографы, работающие ощупывающей иглой, колебания которой индуктивным методом преобразуются в изменения напряжения электрического тока; и бесконтактные: двулучевые интерферометры, интерференционные микроскопы-профилометры, растровые измерительные микроскопы, иммерсионно-репликовыми микроинтерферометрами, муаровые одно объемные микроскопы, микроскопы светового сечения и теневой проекции и многие другие. Также и пневматические приборы, которые оценивают шероховатость по количеству и скорости воздуха, протекающего между измеряемой поверхностью и плотно прилегающим соплом прибора. Наибольшее распространение в машиностроение получили контактные приборы, т.к. они более удобны и надежны в использовании.

К тому же при использовании параллельных смещений движений щупа можно получить трехмерную информацию об измеряемой поверхности.

Работы по усовершенствованию методов и приборов измерения микротопографии ведется постоянно, особенно для трехмерной инженерии поверхности. В частности много работ по обработке полученных измерений, сокращении количества параметрической и служебной информации для использования данных методик для автоматизации процесса контроля в производстве.

Актуальным в последнее время также является разработка и внедрение самонастраивающихся (адаптивных) систем, предназначенных для комплексного решения вопросов регулирования качества продукции, т.е. измерение шероховатости поверхности непосредственно в процессе обработки измерением оптических характеристик отраженного излучения, в частности измерением поляризационных характеристик, в качестве источника света используется лазерный диод. Также разработана самообучающаяся система адаптивного управления шероховатостью, где подача рассчитывается, исходя из начальных параметров и требуемой шероховатости, далее происходит обработка, датчик снимает величину шероховатости и корректирует подачу, но технология работает с некоторым запаздыванием и на малых скоростях резания до 40 м/мин.

В большинстве стран мира при нормировании шероховатости одним из основных параметров шероховатости является относительная опорная длина профиля . Это связано с тем, что сама форма неровностей значительно влияет на эксплуатационные свойства деталей машин, такие как контактная жесткость и прочность, износостойкость, теплопроводность, герметичность соединений, прочность посадок и др. Форма опорной кривой и значения tp зависят от условий финишной обработки. В основном нормируют значения на уровнях p =20 и 50%, поскольку на уровне 20% наблюдаются наибольшие деформации, а на глубину более 50% деформации не проникают.

Влияние параметров обработки на шероховатость поверхности:
При увеличении скорости резания снижается степень деформации металла, следовательно, шероховатость поверхности, для материалов склонных к наростообразованию существует максимум.

1. С увеличением подачи увеличивается шероховатость, тем больше, чем больше скорость резания.

2. Глубина резания фактического влияния не оказывает, если отношение .

3. Износ инструмента. На окончательных этапах обработки износ контролируется по критерию затупления, поэтому значительного вклада в формируемую шероховатость не вносит.

4. С увеличением твердости обрабатываемого материала уменьшаются пластические течения в зоне стружкообразования, следовательно, уменьшается шероховатость.

5. СОЖ влияет только при резании со скоростями, соответствующими зоне наростообразования, при дальнейшем увеличении скорости уменьшение шероховатости незначительно, поскольку в зону пластического контакта СОЖ не проникает.

6. Геометрия инструмента (чем больше углы в плане и меньше радиус при вершине, тем больше геометрическая составляющая шероховатости поверхности).

7. Жесткость технологической системы. Чем выше, тем ниже шероховатость, при малой жесткости вклад вибрационной составляющей в шероховатость поверхности значителен, поэтому прецизионные станки имеют повышенную жесткость. Если деталь маложесткая, то подбирают соответствующую геометрию инструмента, снижающую прогибы и возможность возникновения колебаний.

Наклеп. При срезании стружки происходит деформация материала под поверхностью резания. Обрабатываемый материал здесь подвергается упругопластической деформации. Это происходит по двум причинам. Во-первых, потому, что режущее лезвие всегда имеет какое-то округление радиусом  и разделение металла происходит не по линии 1–1 (рис. 2), а по линии 2–2. Металл под линией 2–2 проволакивается под округленной частью режущего лезвия и пластически деформируется. Во-вторых, поверхность резания упруго восстанавливается после прохождения резца на величину «у» и трется о заднюю поверхность резца и повторно пластически деформируется.

Состояние материала под поверхностью резания оценивается: глубиной проникновения пластической деформации h и степенью упрочнения его поверхностных слоев C. Степенью упрочнения называется отношение твердости упрочненного поверхностного слоя к твердости основного (недеформированного) металла .

Степень упрочнения и глубина деформации зависят от глубины резания и подачи (с увеличением увеличиваются), скорости резания (с увеличением уменьшаются), геометрии режущего инструмента (чем больше радиус скругления лезвия, тем больше), свойств обрабатываемого материала и других факторов. В общем можно выделить силовой (упрочнение) и температурный (разупрочнение) факторы. Конечные значения степени и глубины наклепа зависят от преобладающих факторов.

Наклеп измеряют на косом срезе с малым углом через определенные интервалы или неразрушающим рентгенографическим методом.

Ресурсы сети Интернет

1. http://www.sandvik.com/en/

2. https://www.mitsubishicarbide.com/

3. http://www.iscar.ru/index.aspx/countryid/33

4. http://www.widia.com/widia/en/home.html

5. http://www.kennametal.com/en/home.html

ПРОЦЕССЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТЫ

Направление подготовки     221000 "Мехатроника и робототехника"

Профиль подготовки            Наладка, программирование и эксплуатация мехатронных и робототехнических систем

Квалификация (степень)                            бакалавр