Методика построения комбинированных способов обработки

Комбинированные способы обработки совмещают воздействие нескольких физико-химических явлений и способов их подвода в зону резания. Простые методы обработки, в отличие от этого, используют один вид энергии, с одним способом подвода ее в зону резания. Так, например, широко распространенная механическая обработка применяет механическую энергию при равномерном относительном движении инструмента и заготовки.

Промышленное применение комбинированных методов обработки приводит к коренному повышению как производительности обработки, так и качества деталей. Кроме того, в ряде случаев освоение комбинированных способов обработки позволяет достигнуть новых технических эффектов, например, значительно увеличить прочность, износостойкость и достигнуть, других эксплуатационных параметров деталей.

Методика построения комбинированных способов обработки определяется закономерностями суммирования воздействий физических и химических явлений, определяющих процесс съема материала, они зависят от следующих факторов:

- числа и наименований подводимых физико-химических воздействий;

- способа подвода каждого воздействия (процесса) в зону обработки;

- характера размещения физико-химических воздействий между собой в пространстве и во времени; количественных характеристик, совмещаемых воздействий (прежде всего величины энергии каждого из них) и соотношения их значений между собой.

Рассмотрим их последовательно.

Первый признак - число и наименование подводимых физико-химических воздействий - делит комбинированные методы обработки на классы.

Первый класс - методы обработки, использующие один и тот же вид энергии, но два различных способа ее подвода (например, точение с наложением низкочастотных вибраций для дробления стружки).

Второй класс - методы обработки, совмещающие два вида энергии, подводимой в зону обработки (например, резание с пропусканием электрического тока по цепи заготовка - инструмент или с предварительным индукционным нагревом срезаемого слоя).

Третий класс - методы обработки, совмещающие три различных вида энергии или два различных вида энергии и два способа ее подвода. Примером комбинированного метода обработки третьего класса может быть глубокое сверление отверстий в труднообрабатываемых материалах с наложением низкочастотных осевых вибраций и активных смазочно-охлаждающих жидкостей.

Примером комбинированного метода обработки четвертого класса может быть сверление с использованием электрического и механического воздействия алмазными инструментами цилиндрических и фасонных отверстий в твердых сплавах, закаленных сталях, магнитных сплавах и других токопроводящих труднообрабатываемых материалах (рис. 1). Инструмент закрепляется в шпинделе станка специальной головкой, которая, кроме передачи равномерного вращения и подачи, обеспечивает также подачу электролита во внутреннюю полость инструмента. На эту схему обработки алмазным инструментом накладывают воздействие ультразвуковых колебаний, Помимо равномерного и вибрационного механических воздействий, при этом методе обработки действуют два вида электрического воздействия - электрохимическое и электроэрозионное.

Максимальную производительность обработки обеспечивает комбинированный метод обработки при преимущественном механическом воздействии; в этом случае абразивный съем должен осуществляться при весьма высоких давлениях (300—500 МПа). Если решающее значение при выполнении операции имеет обеспечение высокой стойкости инструмента, то основное значение в процессе съема заданного припуска должно иметь электрохимическое воздействие. При определенных режимах обработки существенное значение может иметь электроэрозионное воздействие, которое обусловлено интенсивными электроэрозионными разрядами, происходящими вследствие контактирования токопроводящей связки алмазоносного слоя инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки. Электроэрозионный процесс обработки рекомендуется при выполнении операций шлифования отверстий.

Второй признак — способ и характер, подвода совмещаемых физико-химических воздействий — делит комбинированные способы на методы с параллельным или последовательным подводом энергии. К первому методу относится, например, механическая обработка с пропусканием через зону резания электрического тока, ко второму - резание с предварительным подогревом слоя материала, снимаемого с заготовки индуктором токов высокой частоты, размещаемым на суппорте станка, впереди резца.

Эффективность совмещения одних и тех же видов энергии при последовательном подводе зависит также и от порядка их следования. Например, в промышленности используются два комбинированных метода протягивания, в которых совмещены обычный процесс резания и пластическое деформирование материала. Первый метод выполняется протяжками, у которых режущие зубья располагаются впереди выглаживающих. Обработка деформирующе-режущими протяжками обеспечивает обратную схему последовательной комбинированной обработки; они работают по схеме опережающего пластического деформирования обрабатываемой поверхности.

Третий признак - количественное соотношение совмещаемых процессов - определяет степень взаимодействия различных видов физического и химического воздействия, они могут приводить только к количественному изменению процесса резания или вызыватьегокачественное изменение. По третьему признаку комбинированные методы разделяются на два типа.

1. Методы с преимущественным влиянием одного воздействия, .например механического; дополнительное воздействие, например тепловое, снижая механические характеристики материала срезаемого слоя, повышает эффективность механического воздействия, качественно не изменяя обычного процесса механической обработки. Для комбинированных процессов этого типа различают базовые и дополнительные процессы.

2. Методы, у которых нельзя разделить физико-химические воздействия на основные и дополнительные (см. способ ультразвукового алмазно-электрического сверления); в этом случае процесс обработки может быть описан специфическими закономерностями, не совпадающими с составляющими их обычными процессами резания.

При комбинированных методах обработки, прежде всего второго типа, воздействие двух физических или химических процессов нельзя принимать как простую арифметическую сумму, так как иногда совмещение двух физических воздействий может дать новые технические эффекты, обеспечивающие коренное повышение производительности обработки, стойкости инструмента и качества изготовления деталей. Для этого перечень совмещаемых процессов, их количественные характеристики, а также последовательность действия должны подбираться таким образом, чтобы они взаимно активизировали друг друга. Так, например, электроэрозионный процесс (помимо обычного воздействия) должен создавать зону предразрушения для последующего механического воздействия, и, напротив, механическое воздействие вследствие обусловленных им вибраций и образования мелких частиц стружки, заполняющих рабочий зазор между электродами, повышает эффективность электроэрозионного разрушения. Таким образом, критерием совместимости физико-химических процессов с вводимыми энергиями Е₁, Е₂ является снимаемый в единицу времени комбинированным процессом резания суммарный объем обрабатываемого материала; он должен быть больше арифметической суммы снимаемых объемов каждым процессом отдельно

,

где i - число совмещаемых процессов.

Производительность операционного технологического процесса оценивается площадью обработанной поверхности в единицу времени:

Следует отметить, что многие сочетания рабочих процессов с точки зрения построения эффективного комбинированного метода обработки могут быть и несовместимыми, т. е. взаимно затруднять протекание комбинированного процесса обработки. Например, известно, что такой эффективный метод обработки для особо твердых сталей, как плазменно-механическое резание, нельзя применять при большинстве режимов резания вязких материалов типа коррозионно-стойких и жаропрочных сталей, так как в этом случае интенсивный нагрев плазменной дугой еще более повышает пластичность обрабатываемого материала и тем самым затрудняет его механическое деформирование.

Коэффициент взаимного влияния k_v комбинированного метода обработки определяет количественные характеристики взаимодействия разнородных видов энергии и способов их подвода. Так, для методов обработки первого класса, например совмещения механического и теплового воздействия, объемная производительность комбинированного метода V_МТ>V_M+V_T, где V_M, V_T - производительность механического и теплового резания при использовании их отдельно на тех же режимах обработки

k_v V_МТ=V_M+V_T

При значениях коэффициента k_v > 1 эффективность комбинированного процесса выше составляющих его обычных процессов резания, и наоборот.

Значения коэффициента взаимного влияния могут характеризовать комбинированный метод обработки по объемной k_v или поверхностной k_п производительности, степени изменения точности k_т, и шероховатости k_ш поверхности и другим- показателям, например величине остаточных внутренних напряжений k_о.

Любой комбинированный способ обработки имеет единый физико-химический механизм резания, его обобщенные характеристики определяют значения коэффициентов взаимного влияния. Они являются количественными показателями выходных характеристик данного процесса резания; при их расчете следует использовать методы динамического программирования. Это позволяет перейти к пошаговой (последовательной) оптимизации любого метода резания, в том числе комбинированного. Эти методы созданы специально для многоэтапных способов проектирования. Проектируемый для заданной операции комбинированный метод обработки состоит из совокупности оптимальных шаговых решений

где х₁^* - соответствует совокупности наименований вводимых процессов; х₂^* - способы их подвода; х₃^* - значение энергии каждого процесса. Оптимальный комбинированный метод обработки

Следовательно, решая задачу проектирования необходимого метода обработки, его оптимизацию на каждом шаге следует осуществлять с учетом будущих последствий на предстоящих шагах. Таким образом, при анализе этим методом на каждом шаге улучше­ние не должно быть максимальным, а таким, чтобы сумма выигрышей на всех оставшихся до конца шагах плюс данный была наибольшей.