1. Точность механической обработки

КОЗЕЛЬСКИЙ ФИЛИАЛ ГБОУ СПО МО
ДМИТРОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО КОЛЛЕДЖА
Технология машиностроения
УЧЕБНОЕ МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ.
КУРС ЛЕКЦИЙ. ТЕМА «ТОЧНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ».
ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 151901 «ТЕХНОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЯ»
Козельск, 2013
1
ОДОБРЕНА
Утверждаю:
Предметной цикловой
Зам. Директора по учебной работе
комиссией
Денисов С.В.
протокол №
от
2013г.
Председатель:
Рыбакова Л.Г.
Технология машиностроения
Методическое пособие. Курс лекций. Тема «Точность механической обработки»
Методическое
пособие
предназначено для студентов среднего
профессионального образования технологических специальностей дневного и
заочного отделений.
Курс «Технология машиностроения» является специальной дисциплиной при
подготовке техников-технологов для машиностроения.
В методическом пособии рассматривается точность механической
обработки, параметры точности, факторы, влияющие на точность обработки,
качество поверхностного слоя.
Составлено в соответствии с Государственными требованиями к уровню
содержания и подготовки выпускника специальности 151901 «Технология
машиностроения».
Автор:
Рецензенты:
преподаватель КФДГПК
Рыбакова Л.Г.
преподаватель КФДГПК
Дмитриев Н.И.
Зам. гл.инженера ФГУП НПЦ АП СПЗ
Корнеев А.И.
2
Содержание
1. Точность механической обработки…………………………………………….4
1.1.Точность и параметры точности……………………………………………...4
1.2. Факторы, влияющие на точность…………………………………………….4
1.3. Точность размеров…………………………………………………………….5
1.4. Точность формы……………………………………………………………….6
2. Качество поверхностного слоя деталей………………………………………10
2.1. Шероховатость поверхности………………………………………………...10
2.2. Физико-механические свойства поверхностного слоя……………………13
Список использованной литературы…………………………………………… 17
3
1. ТОЧНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ
1.1.Точность и параметры точности
Точностью обработки называют степень соответствия детали (изделия)
заданным требованиям, указанным в чертеже.
Изготовить детали абсолютно точно невозможно, при их обработке всегда
возникают погрешности.
Точность детали характеризуется следующими параметрами:
—
точность размеров (отклонение размеров от номинальных);
—
точность формы поверхностей (овальность, конусность, огранка,
прямолинейность);
—
точность относительного расположения поверхностей (параллельность,
перпендикулярность, симметричность, соосность, радиальное и
торцовое биение);
—
качество поверхностного слоя (шероховатость и твердость).
Согласно ГОСТа погрешности обработки указываются конструктором на
чертеже детали условными знаками и числовыми значениями.
Количественные показатели точности и допускаемые отклонения
регламентируются Единой системой допусков и посадок и ее стандартами.
1.2. Факторы, влияющие на точность
Любой технологический процесс осуществляется в технологической системе
СПИЗ (станок-приспособление-инструмент-заготовка).
На точность детали оказывают влияние следующие факторы:
- жесткость системы СПИЗ (колебания элементов технологической системы)
Время обработки обратно пропорционально жесткости системы СПИЗ. Чем
выше ↑ жесткость, тем меньше ↓ время обработки.
При закреплении в патроне жесткость станка намного ниже, чем при
закреплении в центрах.
- точность изготовления и износ оборудования;
- погрешности изготовления и износ режущего инструмента, мерительного
инструмента, приспособлений;
- погрешности установки и закрепления заготовки и инструмента;
- материал заготовки (химический состав, механические свойства, погрешность
размеров, формы, взаимного расположения, качество
поверхностного слоя). С увеличением твердости материала шероховатость
уменьшается;
- технологическая схема обработки поверхности;
4
- режимы резания. Увеличение скорости резания приводит к уменьшению
шероховатости, при скорости резания 15-30 м/мин шероховатость высокая, а при
скорости свыше 30 м/мин шероховатость уменьшается;
- погрешности настройки станка.
- тепловые деформации элементов технологической системы;
- погрешности измерений. Точность измерений зависит от шероховатости
поверхности, если параметр шероховатости больше поля допуска, то возникает
неопределенность определения размера;
Выходными параметрами ТС СПИЗ являются:
- качество механической обработки;
- производительность механической обработки;
- экономические затраты (материальные и трудовые).
1.3. Точность размеров
Отклонения размеров учитываются в виде допусков на размер (квалитетом).
Точность размеров характеризуется квалитетом и основным отклонением.
Обозначение на чертеже: ∅50Н7( 0+0,25)
∅50 - номинальный размер
Н - основное отклонение для отверстия
h - основное отклонение для вала
7 – квалитет
Основное отклонение – ближайшее к нулевой линии предельное отклонение,
которое определяет положение поля допуска относительно нулевой линии
(номинальный размер).
Квалитет – совокупность допусков. Чем выше квалитет, тем допуск больше.
Стандартом предусмотрено 19 квалитетов (0,1; 0; 1; 2; 3;….17).
Допуск по квалитету обозначается IT (International Tolerace – международный
допуск).
Поле допуска - пространство, ограниченное линиями верхнего и нижнего
отклонений.
Величина допуска определяется как абсолютная величина алгебраической
разности между верхним и нижним отклонениями. Допуск всегда величина
положительная (+).
Пример, ∅50Н7( 0+0,25)
∅50 𝑓7(−0,25
−0,50 )
IT=| (-0,25) - (-0,50) |= 0,25
IT=| (+0,25) - (0) |= 0,25
+0,18
∅50 𝑘6(+0,02 )
IT=| (+0,18) - (+0,02) |= 0,16
Обычно поле допуска располагается «в тело», т.е. для вала от номинала в
«минус», а для отверстия в «плюс».
Целесообразно предусматривать размеры не с двухсторонними ∅50 𝑘6(+0,18
+0,02 ), а с
+0,16
−0,25
−0,25
односторонними отклонениями ∅50 𝑘6(
); ∅50 𝑓7(−0,50 ) --∅50 𝑓7(
).
5
1.4. Точность формы
Отклонения формы цилиндрических поверхностей.
А). Отклонения от круглости.
Обозначение на чертеже:
Частными видами отклонения от круглости являются:
- овальность (возникает из-за биения шпинделя станка, при шлифовании в
центрах);
- огранка, т.е. профиль детали представляет многогранную фигуру (возникает
при бесцентровом шлифовании, вибрации станка).
Б). Отклонения от цилиндричности. Обозначение на чертеже:
Частными видами отклонения от цилиндричности являются:
– бочкообразность (при обработке длинных тонких валов в центрах без
люнетов);
- седлообразность (при обработке коротких валов большого диаметра в центрах
из-за недостаточной жесткости бабок станка);
- конусообразность (при закреплении в патроне, при износе резца, несовпадении
осей передней и задней бабки, при протягивании отверстия зубчатых колес из-за
неравножесткости заготовки).
Отклонения формы плоских поверхностей.
В). Отклонения от плоскости:
Обозначение на чертеже:
- вогнутость;
- выпуклость.
Г). Отклонение от прямолинейности. Обозначение на чертеже:
Отклонения взаимного расположения:
- отклонение от параллельности;
Обозначение на чертеже:
- отклонение от перпендикулярности; Обозначение на чертеже:
- отклонение соосности;
Обозначение на чертеже:
- отклонение от симметричности;
Обозначение на чертеже:
Суммарные отклонения формы и расположения поверхностей.
- радиальное биение (является результатом совместного проявления отклонения
от круглости и смещения оси вращения);
- торцовое биение (возникает из-за неперпендикулярности торцовой
поверхности к базовой оси и отклонения от плоскостности).
Обозначение на чертеже:
6
1.5. Обозначение отклонений на чертеже
7
Влияние шероховатости на погрешность измеряемого размера
Соотношение показателей точности и параметра шероховатости
Отклонения, вызванные неточностью изготовления и износа оборудования
8
Схема упругой технологической системы
9
2. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
Качество поверхности характеризуется:
- шероховатостью поверхности;
- физико-механическими свойствами поверхностного слоя.
2.1. Шероховатость поверхности
Поверхности деталей после обработки не являются идеально гладкими, т.к.
инструмент оставляет на поверхности следы в виде неровностей и гребешков.
Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей с
относительно малыми шагами на базовой длине (0,08-8 мм).
Стандарт предусматривает основные параметры шероховатости:
- Ra – среднее арифметическое отклонение профиля;
- Rz – высота неровностей профиля по десяти точкам.
Обозначение на чертеже:
Среднее арифметическое отклонение профиля Ra – среднее арифметическое
абсолютных значений отклонений профиля от средней линии в пределах базовой
длины (предпочтительный параметр).
Предпочтительные значения параметра Ra: 0,0012; 0,0025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,8;
1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25; 100.
Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz – сумма средних
арифметических абсолютных значений пяти высших точек выступов и пяти точек
впадин профиля измеренных от средней линии в пределах базовой длины.
Предпочтительные значения параметра Rz: 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2;
6,3; 12,5; 25; 50;100; 200; 400.
Приблизительное соотношение параметров Ra и Rz – Rz = 4 Ra.
Обозначение на чертеже:
10
2.1.1. Факторы, влияющие на шероховатость поверхности
1. Режимы обработки.
Из режимов резания наибольшее влияние на шероховатость оказывают скорость
главного движения и подача.
При увеличении скорости резания шероховатость уменьшается.
При скоростях резания 15-30 м/мин шероховатость увеличивается.
Причиной является наростообразование на резце.
При скоростях свыше 30 м/мин шероховатость уменьшается, т.к. при
возрастании температуры в зоне резания наростообразование прекращается;
При увеличении глубины резания шероховатость увеличивается.
При увеличении подачи шероховатость увеличивается.
2. Вид обработки.
При шлифовании шероховатость снижается с увеличением скорости главного
движения и уменьшением подачи.
При сверлении, зенкеровании, развертывании, строгании величина подачи мало
оказывает влияния на шероховатость.
При снятии корки у отливок и наклепанного слоя у стальных заготовок должна
быть назначена глубина резания, обеспечивающая полное снятие такого слоя.
3. Режущий инструмент.
Геометрия режущего инструмента оказывает влияние на шероховатость.
При увеличении угла в плане φ шероховатость увеличивается. При увеличении
радиуса закругления при вершине шероховатость уменьшается.
5. Материал обрабатываемой детали.
Вязкие и пластичные материалы (низкоуглеродистая сталь) склонны к
пластическим деформациям, дают при обработке резанием большую шероховатость.
Стали с повышенным содержанием серы (автоматные стали) и стали с
присадкой свинца имеют меньшую шероховатость при тех же условиях обработки.
С повышением твердости обрабатываемого материала величина шероховатости
снижается.
6. Жесткость системы СПИЗ
Глубина резания при достаточной жесткости станка не оказывает
существенного влияния на шероховатость.
11
2.1.2. Влияние шероховатости поверхностного слоя на эксплуатационные
свойства изделий
1. Износостойкость.
Шероховатость поверхности приводит к преждевременному износу деталей,
сборочных единиц, узлов и машин, т.к. при работе гребешки на поверхности деталей
стираются, смешиваются с маслом и ускорят процесс износа.
2. Прочность соединения.
Ухудшается прочность соединения, т.к. в процессе работы гребешки стираются,
увеличиваются размеры, прочность соединения падает.
3. Герметичность соединения и антикоррозионная стойкость.
Ухудшается герметичность, т.к. в процессе работы гребешки стираются и
увеличиваются зазоры.
Чем чище поверхность, тем меньше площадь соприкосновения с
корродирующим веществом (воздухом, жидкостями, щелочами, кислотами), тем
меньшее разрушающее воздействие они оказывают на деталь.
4. Усталостная прочность.
В местах, где есть царапины и риски, накапливаются внутренние напряжения и
это ведёт к разрушению детали.
12
2.2. Физико-механические свойства поверхностного слоя
Физико-механические свойства поверхностного слоя отличаются от исходного
материала. Это связано с воздействием силовых и тепловых факторов при обработке
заготовок.
Физико-механические свойства поверхностного слоя характеризуются:
- твердостью (в процессе обработки происходит упрочнение поверхностного
слоя - наклеп);
- структурой (изменяется структура; глубина поверхностного слоя зависит от
метода и режима обработки и составляет от 5 мкм при тонкой обработке до сотен
мкм – при черновой обработке);
- остаточными напряжениями,
- наличием или отсутствием внешних дефектов (микротрещин, раковин и т.д.)
2.2.1. Твердость поверхностного слоя
Твердость - это сопротивление, которое оказывает рабочая поверхность
точечным нагрузкам другого более твердого тела или способность металла
сопротивляться пластической деформации.
В процессе обработки происходит упрочнение поверхностного слоя – наклеп,
обычно наклеп повышает эксплуатационные свойства деталей.
Степень и глубина наклепа зависит:
- от свойств материала заготовки. С уменьшением твердости стали степень и
глубина наклепа возрастает.
- температуры и режимов резания. Повышение скорости резания и
продолжительности теплового воздействия на обрабатываемую поверхность снижает
наклеп и приводит к образованию напряжений растяжения. С увеличением глубины
резания и подачи увеличивается глубина и степень наклепа.
- геометрии режущей части инструмента. Увеличение радиуса округления
режущей кромки резца приводит к повышению микротвердости наклепанного слоя.
Уменьшение переднего угла до отрицательного значения приводит к увеличению
глубины и степени наклепа.
- усилий резания. Увеличение силы резания способствует образованию наклепа
и образованию остаточных напряжений сжатия.
- метода обработки. Наибольшая глубина наклепанного слоя при сверлении и
зекеровании 200мкм, фрезеровании 100мкм, чистовом и тонком точении,
шлифовании и протягивании – 50 мкм, 60 мкм, 60 мкм, 70 мкм соответственно.
Для оценки твердости заготовок применяют методы:
- при вдавливании стального шарика - по Бринеллю НВ или по Роквеллу
НRВ.
Применяется при испытании металлов с твердостью менее НВ450 и
толщиной более 2 мм;
13
Твердость определяется по диаметру отпечатка стального шарика.
- алмазного конуса - по Роквеллу НRС по шкале «С», шкала «А» НRА - с
меньшей нагрузкой.
- Супер Роквелл. По новой шкале обозначается НRСэ, она меньше НRС на
1-2 единицы, введён новый эталон твердости с 1980 года с 1 июля.
Значения твердости в единицах НRС примерно в 10 раз меньше, чем в
единицах НВ, т.е. твердость 30 НRС примерно соответствует 300 НВ.
Между значениями твердости по шкалам «С» и «А» имеется следующая
зависимость: НRС = 2 НRА – 104.
Твердость определяется по глубине проникновения алмазного конуса.
Для определения микротвердости наклепанного поверхностного слоя и
материалов толщиной<2 мм применят метод:
- пирамиды трехгранной или четырехгранной - по Виккерсу НV.
Применяют значительно меньшие нагрузки, чем по Бринеллю и Роквеллу.
Значения твердости по Бринеллю и Виккерсу практически равны.
Твердость определяется по диагонали отпечатка пирамиды.
2.2.2. Остаточные напряжения
Остаточные (внутренние) напряжения существуют в деталях машин при
отсутствии внешних силовых и температурных воздействий.
Остаточные напряжения зависят:
- материала заготовки;
- от методов обработки;
- режимов резания.
При обработке лезвийным инструментом имеет место взаимодействие
силовых и тепловых факторов. Вследствие этого поверхностный слой имеет
сжимающие напряжения (отрицательные).
При высоких скоростях главного движения температура в зоне резания
высокая, остаточные напряжения будут растягивающими.
ОБЪЯСНЕНИЕ.
При механической обработке наружные слои металла пластически
деформируются, в результате чего его зерна вытягиваются в направлении обработки.
Пластическая деформация поверхностных слоев и металла вызывает упругую
деформацию нижележащих слоев.
При снятии нагрузки упруго деформированный слой стремясь вернуться в
исходное положение, сжимает верхний слой металла, образуя в нем при этом
сжимающие остаточные напряжения (-σ).
Если процесс обработки сопровождается высокими температурами, то
температура в поверхностных слоях (10…20 мкм) значительно выше, чем в
нижележащих слоях с глубиной залегания 100…150 мкм. Наружные слои остывают
14
быстрее внутренних и испытывают со стороны медленно остывающих внутренних
слоев напряжения растяжения (+σ).
При шлифовании большее влияние оказывают тепловые факторы.
Температура в зоне шлифования может приближаться к температуре плавления
металла. Характерные для шлифования высокие температуры вызывают в
поверхностном слое структурную неоднородность и, вследствие этого,
поверхностные прижоги, микротрещины, цвета побежалости. В поверхностном слое
возникают остаточные напряжения растяжения (положительные).
При очень больших напряжениях растяжения в поверхностном слое детали
появляются трещины.
При накатывании обработанных поверхностей роликами и шариками
обеспечивается пластическая деформация поверхностного слоя, снижение
шероховатости и получение сжимающих напряжений. Чрезмерный наклеп при
накатывании приводит к разрушению («шелушению») поверхностного слоя.
Остаточные напряжения распространяются на глубину 0,05…0,15мм.
Для многих деталей желательным является создание сжимающих усилий в
поверхностном слое, повышающих их усталостную прочность.
Для снятия внутренних напряжений применяют различные виды
термообработки.
Меры по уменьшению остаточных напряжений:
- снижение интенсивности теплообразования;
- уменьшение скорости главного движения резания;
- уменьшение глубины резания;
- применение более «мягких» кругов и выхаживание при шлифовании;
- применение обильного охлаждения.
2.2.3. Методы повышения качества поверхностей:
- рациональный выбор последовательности режимов и условий обработки;
- упрочнения поверхностей закалкой, химико-термической обработкой
(цементация, азотирование, цианирование, сульфидирование и др.);
- наплавкой;
- гальваническими покрытиями (хромирование, никелирование, цинкование и
др.).
- применением специальных методов. Упрочняющие методы пластического
деформирования без снятия стружки, создающие наклеп и сжимающие напряжения
400…700Н/мм2. К ним относятся: вибрационное обкатывание, дробеструйное
упрочнение, чеканка, алмазное выглаживание, электрохимическая обработка и др.
15
2.2.4. Влияние состояния поверхностного слоя на работоспособность
изделий:
- наклеп поверхности в несколько раз уменьшает её износ. Способствует
созданию сжимающих напряжений, повышающих предел выносливости, прочность
деталей.
- растягивающие напряжения увеличивают износ, снижают прочность и
приводят к появлению микротрещин. От остаточных напряжений зависит
эксплуатационная точность деталей и машин.
16
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технология машиностроения. В.В.Клепиков, А. Н. Бодров, Москва,
ФОРУМ-ИНФРА-М, 2004.
2. Технология машиностроения. А.П. Тихонов, М.А.Заславский, Машгиз,
1963.
3. Технология машиностроения. Сборник задач и упражнений.
В.А.Аверченков, О.А.Горленко и др., Москва, ИНФРА-М, 2005.
4. Справочник инженера-технолога в машиностроении. А.П. Бабичев, И.М.
Чукарина и др., Ростов-на-Дону, ФЕНИКС, 2006.
5. Технология машиностроения. Книга 1. Основы технологии
машиностроения. С.Л. Мурашкин, Москва, Высшая школа, 2003.
6. «Технология машиностроения. Книга 2.Производство деталей машин под
редакцией С.Л. Мурашкина, М.,2003г.
7. Технология машиностроения. Л.В.Лебедев, В.У. Мнацакян и др., Москва,
Высшая школа, АСАДЕМА, 2006
17