Методика получения порошков ротационным точением при совместном вращении режущих элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время одним из перспективных направлений развития техники является применение порошковых материалов. Это связано с тем, что порошковая металлургия позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно или невозможно. Кроме того, методами порошковой металлургии также возможно существенно повысить экономические показатели производства (например, коэффициент использования материала составляет около 100%)

Исходным материалом для порошковой металлургии являются порошки чистых металлов и сплавов, а также порошки неметаллических элементов. В промышленности используются различные методы, применяемые для получения порошков металлов и сплавов. Метод производства определяет химические (содержание основного металла, примесей и загрязнений, и токсичность), физические (форму, размеры и распределение частиц по размерам, удельную поверхность, истинную плотность и микротвердость частиц) и технологические (насыпную плотность и плотность утряски, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуемость) свойства получаемого металлического порошка. Очень часто свойства порошков одного и того же металла существенно меняются в зависимости от метода получения. Например, порошки, идентичные по химическому составу, могут иметь разные физические характеристики и резко различаться в технологических свойствах, что приводит к значительным изменениям условий дальнейшего превращения порошка в готовое изделие и влияет на его свойства.

Разнообразие требований, предъявляемых к порошкам в зависимости от области их применения, а также свойства самих металлов объясняют существование большого количества различных методов производства металлических порошков. Общепринятым является условное деление имеющихся способов получения порошков на физико-химические и механические.

Физико-химическое диспергирование металлов связано с физико-химическими превращениями исходного сырья, в результате чего получаемый материал по химическому составу или физическим свойствам существенно отличается от исходного материала. Поэтому физико-химические способы применяются в основном в тех случаях, когда у получаемого материала необходимо получить новые физико-химические свойства. Механические способы измельчения обеспечивают превращение исходного материала в порошок без существенного изменения физико-химических свойств. Они подразделяются на измельчение истиранием, дроблением и резанием. Первые два способа позволяют обрабатывать только хрупкие материалы, вязкие же материалы при обработке только деформируются, но не измельчаются. Напротив, измельчение резанием позволяет перерабатывать вязкие материалы.

Среди способов получения материалов резанием ротационное точения является одним из видов обработки, при котором гарантированно получается элементная стружка, размеры которой можно прогнозировать. Однако существующие в промышленности установки, реализующие данный метод позволяют получать стружку, обладающую относительно крупными размерами (порядка 5…20 миллиметров) и, также, практически не позволяют управлять процессом измельчения.

Получаемая в результате стружка не может быть использована в качестве исходного материала и нуждается в дальнейшем измельчении. Кроме того из-за высоких температур, возникающих при измельчении, существующими методами невозможно получать порошки легко воспламеняемых материалов. Учитывая потребности производства в получении качественного порошка, а также необходимости получения порошков вязких, легко воспламеняемых и труднообрабатываемых материалов, совершенствование процесса измельчения фрезерованием является актуальной задачей, которую можно решить на основе принципиально нового подхода - применения ротационного фрезерного инструмента [3].



1. Общая часть

Порошковая металлургия - это область науки и техники, охватывающая производство металлических порошков, а также изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками [ГОСТ 17359-82]. Значение порошковой металлургии в первую очередь заключается в том, что появилась возможность получать новые технические материалы, отличающиеся от традиционных более высокими свойствами. Например сплавы, отличающиеся высокой твердостью, жаропрочностью, тугоплавкостью, износостойкостью, огнеупорностью, коррозионной стойкостью. Их применение -- основа дальнейшего развития станкоинструментальной промышленности.

К основным достоинствам порошковой металлургии можно отнести:

1. Изготовление большинства тугоплавких металлов и соединений, пористых материалов возможно только методами порошковой металлургии.

2. Значительная экономия металла в связи с возможностью прессования изделий с окончательными размерами, не нуждающихся или почти не нуждающихся в последующей механической обработке; отходы металлокерамического производства составляют всего 1--5%, потери же металла при обычных методах изготовления могут доходить до 80%.

3. Возможность получения материалов высокой чистоты, ибо порошковая металлургия не привносит, в отличие от литья, никаких загрязнений в изготовляемый материал.

4. Технология порошковой металлургии по своему характеру несложна, и основные операции изготовления изделий не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала [1].

К недостаткам порошковой металлургии можно отнести ограниченные размеры и относительно простую форму изготовляемых изделий, что обусловлено спецификой формования порошков. При изготовлении деталей машин методами порошковой металлургии наличие остаточной пористости в некоторых случаях не позволяет получить такие же физико-механические свойства материала изделий, как и при изготовлении литьем или ковкой [1].

Порошковая металлургия представляет широкие возможности для создания сплавов и материалов с особыми специальными свойствами, которые нельзя получить, применяя другие известные в промышленности методы изготовления.

1.1 Назначение порошковых материалов

Порошковый материал - материал, изготовленный из металлического порошка или из его смеси с неметаллическим порошком. Металлический порошок - совокупность частиц металла, сплава и металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой. [2]

Порошковые материалы применяются в различных областях техники в следующих случаях:

когда требуются материалы (со специальными свойствами), которые невозможно получить другими методами производства,

когда в результате особенностей изготовления порошковые материалы имеют более высокие качественные показатели, чем материалы, полученные по традиционной технологии (литьё, деформация)

когда при получении изделий из порошков улучшаются технико-экономические показатели производства по сравнению с традиционной технологией (сокращение расхода сырья, упрощение технологии, уменьшение затрат на оборудование, рабочую силу и т. п.).

Несмотря на обширность области применения продуктов порошковой металлургии, их можно разделить на следующие группы: пористые проницаемые материалы, тяжелые сплавы, магнитные материалы, электротехнические материалы, антифрикционные материалы, фрикционные материалы.

Важным направлением применения порошковой металлургии, представляющим специфическую ее часть, является создание пористых проницаемых материалов, работоспособность и области применения которых определяются наличием взаимосвязанной системы пор. По сравнению с аналогичными войлочными, бумажными, тканевыми материалами, порошковые материалы изготовленные из металлов, сплавов, металлоподобных соединений и оксидов, характеризуют большей проницательностью, устойчивостью к тепловым ударам, возможностью полностью или частично восстанавливать фильтрованные свойства, и самое главное возможностью управлять их свойствами в широких пределах. Исходными материалами для изготовления пористых проницаемых материалов являются порошки оловянистых и свинцовистых бронз, коррозионностойкой стали и титановые порошки. Из проницаемых порошковых материалов изготавливают следующие изделия и материалы: фильтры для очистки воздуха и других газов от пыли, водяного, масляного тумана; фильтры для очистки расплавов металлов и полимеров; распылительные диспергаторы; паропроницаемые материалы для влажно-тепловой обработки; огнепреградители; теплообменники; газопоглотители; катализаторы; материалы для поглощения энергии вибрации и одиночных ударов.

Тяжелые сплавы - это сплавы с высокой удельной массой [1]. Основой их составляет вольфрам. Примером таких сплавов являются сплавы типа ВНЖ (вольфрам-никель-железо) могут содержать 70-98 масс.% W, а остальное - никель и железо, отношение которых может изменяться от 10/1 до 1/1. Сплавы ВНМ (вольфран-никель-медь) могут содержать масс.% W, от 1 до 16 масс.% Ni и от 3 до 20 масс.% Cu. Одна из главных областей применения тяжелых сплавов - военная техника, где они используются, в основном, в качестве сердечников кумулятивных бронебойных снарядов. Главные свойства, необходимые для применения в этой области - высокая плотность, прочность, пластичность, в некоторых случаях твердость. Тяжелые сплавы характеризуются большим коэффициентом поглощения гамма-лучей: при плотности сплава 16,5 г/ он в полтора раза выше, чем у свинца. Поэтому тяжелые сплавы применяют в качестве защитных экранов от гамма-излучений или для хранения радиоактивных препаратов.

Одним из магнитных материалов, получаемых с помощью порошковой металлургии, является ферритовый постоянный магнит. Постоянные магниты применяются в: современных магнитных сепараторах; электродвигателях; генераторах; мощных магнитных система для лазерной техники (ячейка Фарадея); медицинского оборудования (магнитно-резонансные томографы МРТ); фокусирующих системах [3].

Электротехнические материалы (ЭТМ) характеризуются определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяются в технике с учетом этих свойств ЭТМ используются для изготовления тоководов, контактов, электродов, резисторов, полупроводниковых элементов, электроизоляторов, магнитопроводов, постоянных магнитов и других компонентов электротехнических и электронных устройств. Для электротехнических материалов определяющими являются такие свойства как электропроводность, теплофизические, термодинамические и механические свойства, эмиссионные характеристики, магнитные свойства и коэффициенты, характеризующие зависимость указанных свойств от температуры. При этом в ЭТМ должны оптимально сочетаться разнообразные, а иногда несовместимые для обычных металлов свойства.

Антифрикционные порошковые материалы используются для изготовления деталей узлов трения (подшипников скольжения, распорных втулок, колец, торцевых уплотнений, шайб подпятников, поршневых колец и др.) различных машин и механизмов. Они применяется вместо дефицитных подшипниковых литых сплавов из цветных металлов, подшипников качения, антифрикционных сталей и чугунов. Введение в состав спеченных антифрикционных материалов различных веществ, играющих роль твердой смазки, присадок, повышающих прочностные свойства материала, увеличивают срок службы деталей в 1,5-10 раз [1]. В качестве присадок, играющих роль твердой смазки, обычно применяют графит, сульфиды, вториды, второпласты, иногда оксиды. Наличие запасы жидкой и твердой смазок обеспечивает хорошую работу таких материалов в условиях ограниченной подачи смазки, а также при повышенных нагрузках, скоростях скольжения, повышенных температурах, и присутствии агрессивных и инертных жидких и газовых сред, в вакууме.

Фрикционные материалы предназначены для работы в различных тормозных и передаточных узлах самолетов, автомобилей, гусеничных машин, дорожных и строительных механизмов, станков и прессов [1]. Фрикционные элементы с порошковыми материалы изготавливают в виде дисков, секторных накладок и колодок различной конфигурации. Они представляют собой как правило, конструкцию, состоящую из стального несущего каркаса, облицованного с одной либо с двух сторон слоем сеченого фрикционного материала. Во фрикционных материалах сочетается металлическая несущая матрица, обладающая необходимыми свойствами: прочностью, износостойкостью, жаропрочностью и пластичностью, с хрупкими наполнениями, обеспечивающими достижения требуемых значений коэффициента трения и их стабильность и предотвращающими схватывание. В связи с этим порошковые фракционные материалы представляют собой сложные композиции из металлических и неметаллических порошков.

Доля последних нередко достигает 50-60 об. % высокое содержание неметаллических добавок снижает прочность металлической основ, ухудшает прессуемость и требует приложения нагрузки при спекании. Именно из-за хрупкости фрикционного материала, как было сказано выше, изделие изготавливается путем припекания фрикционного слоя к стальной прокладки. В качестве компонентов, образующих металлическую матрицу материалов, обычно используют порошки меди и железа. Для материалов на медной основе наиболее подходящим является медный порошок с дендритной формой частиц, полученный электролизом. Для изготовления обычно используют порошки марок ПМС-1(порошок периклазовый крупнозернистый) и ПМС-2 (порошок периклазовый для электропечей), имеющих следующий гранулированный состав: 65-90% фракций менее 45 мкм и до 10% 45-70 мкм. Применение алюминиевых порошков возможно при производстве стали.

При изготовлении стали важную роль играет процесс раскисления, это конечная операция, служащая для понижения содержания кислорода в металле. Алюминий для окончательного раскисления вводят в металл за 2-3 мин до выпуска. Куски алюминия на шомполе погружают как можно глубже в металл и выдерживают там в спокойном состоянии до полного растворения. На эту операцию расходуется от 0,5 до 2,5 кг/т алюминия АВ87. Для раскисления стали используются чушки алюминия, безвозвратные потери которого составляют до 50% [3]. Применение порошка алюминия вместо чушек могло бы заметно снизить его безвозвратные потери.

Применение порошковых материалов в производстве позволяет увеличить коэффициент использования металла и повысить производительность труда. Экономическая эффективность достигается благодаря сокращению или полному исключению механической обработки. Но вследствие высокой стоимости пресс-форм, изготовление деталей машин методами порошковой металлургии оправдано лишь в массовом производстве. Применение порошковых материалов рекомендуется при изготовлении деталей простой симметричной формы малой массы и растворов, и не содержащих отверстий под углом к оси заготовок, выемок, внутренних полостей, выступов.



1.2 Основные характеристики порошковых материалов, методы их определения

При изготовлении изделий способами порошковой металлургии, необходимо учитывать свойства, которыми обладают используемые порошковые материалы. Их необходимо учитывать в первую очередь для того, чтобы при изготовлении изделия использовались порошковые материалы, которые обладают свойствами требуемыми от готового изделия, а также для повышения производительности и экономической эффективности. Эти свойства, и методы их определения, стандартизованы и указаны в ГОСТах.

Порошковые материалы - полидисперсные системы, состоящие из частиц различной крупности; диапазон размеров частиц порошков, получаемых различными способами, очень широк [2]. Порошковые материалы характеризуют по физическим, химическим и технологическим свойствам.

К физическим свойствам порошковых материалов относят:

Форма частиц;

В зависимости от метода получения форма частиц порошка может быть сферической, губчатой, осколочной, тарельчатой, дендритной, каплевидной. Первичная форма частиц может несколько видоизменяться при последующей обработке порошка (разломе, отжиге, грануляции и др.). форма частиц существенно влияет на технологические свойства порошка, а также плотность, прочность и однородность свойств заготовок из него.

Размер и гранулометрический состав;

В зависимости от набора размеров частиц порошки характеризуются фракционным или гранулометрическим составом. Фракция - диапазон размеров частиц между их максимальными и минимальными значениями. Гранулометрический состав - это процентное содержание частиц порошка во фракциях по отношению к их общему количеству. Частицы имеют неправильную геометрическую форму, их взаимоориентировка случайна, поэтому размер для расчета определяют в одном каком-либо направлении.

В ГОСТ 2340-78 "Порошки металлические. Микроскопический метод определения размеров частиц" изложен микроскопический метод определения размеров частиц, который распространяется на металлические порошки с размерами частиц от 1 до 100 микрометра различной формы. Измерения и подсчет количества частиц проводят под оптическим микроскопом визуально или автоматически. За размер частиц принимают при визуальном измерении максимальную хорду частицы в горизонтальном или вертикальном направлениях; при автоматическом измерении - хорду частицы в горизонтальном направлении.

Удельная поверхность;

Удельная поверхность порошка представляет собой сумму наружных поверхностей всех частиц, имеющихся в единице его объема или массы. Для металлических порошков характерна поверхность от 0,01 до 1 м2/г, хотя в отдельных случаях у очень мелких порошков она может достигать и значительно большей величины. Удельная поверхность влияет на поведение порошков при формовании и спекании. Она зависит от размера и формы частиц. В ГОСТ 23401-78 "Порошки металлические. Катализаторы и носители. Определение удельной поверхности" предложен метод определения удельной поверхности металлических порошков, катализаторов и носителей от 0,05 до 1000 м2/г по тепловой десорбции газа (азота или аргона). Сущность метода заключается в определении объема газа, сначало предварительно адсорбированного на поверхности анализируемой пробы из потока рабочей газовой смеси (азотно-гелиевой или аргоно-геливой) при температуре жидкого азота, затем десорбированного из нее при повышении температуры и последующем удельной поверхности пробы.

микротвердость;

Микротвердость частицы порошка характеризует ее способность к деформированию, что важно для оценки возможного поведения порошка при формовании. Она в значительной степени зависит от содержания в частицах порошка различных примесей и искаженности кристаллической решетки.

К технологическим свойствам относят:

Насыпная плотность;

Насыпная плотность - масса единицы объема свободно насыпного порошка. Она определяется плотностью материала порошка, размеров и формой его частиц плотностью их укладки и состоянием поверхности. Более высокую насыпную плотность обеспечивают сферические частицы. Для полидисперсных порошков существует оптимальный гранулометрический состав, обеспечивающий максимальную насыпную плотность, когда мелкие частицы заполняют пустоты между крупными. От насыпной плотности порошка зависят производительность прессов и размеров транспортирующих и запасных емкостей для порошка. ГОСТ 19440-94 "Порошки металлические. Определение насыпной плотности" устанавливает два способа определения насыпной плотности. Сущность метода в обоих случаях состоит в измерении массы определенного количества порошка, заполняющего целиком в свободно насыпанном состоянии емкость известного объема. Первый способ описывает определение насыпной плотности с помощью воронки, второй - с помощью волюметра Скотта. Величину, обратную насыпной плотности, называют насыпным объемом, который представляет собой объем, занимаемый единицей массы порошка при его свободной насыпке. Насыпная плотность порошка влияет на объемное дозирование и сам процесс формования, а так же на величину усадки при спекании (чем меньше насыпная плотность, тем больше усадка).

Текучесть;

Текучесть порошка характеризует его способность с определенной скоростью вытекать из отверстий, что очень важно для рациональной организации процесса прессования: хорошая текучесть нужна для быстрого и равномерного наполнения прессформы при объемном дозировании порошка. В ГОСТ 20899-98 "Порошки металлические. Определение текучести с помощью калиброванной воронки" изложен метод определения текучести, основанный на регистрации времени истечения через калиброванное отверстие воронки металлических порошков и их смесей, содержащих металлические компоненты. Метод не распространяется на порошки, не содержащие непрерывную струю при просыпании через воронку. Метод основан на определении времени истечения порошков из воронки, самопроизвольно просыпающихся через калиброванное выходное отверстие.

Уплотняемость;

Уплотняемость порошка показывает его способность изменять начальную плотность укладки частиц в процессе прессования. Эта характеристика оценивается по плотности прессовок, изготовленных при давлении 200, 400, 500, 600 и 800 МПа в цилиндрической пресс-форме.

Прессуемость;

Прессуемость порошка оценивают его способностью образовывать прессовку под воздействием определенного давления. Эта характеристика дает качественную оценку свойств порошка, комплексно связанную с уплотняемостью и формуемостью. Метод определения прессуемости порошка (кроме порошков твердых сплавов) при одноосном сжатии в пресс-форме устанавливает ГОСТ 25280 "Порошки металлические. Метод определения уплотняемости".

Метод заключается в двухстороннем прессовании порошка в пресс-форме под однократным или многократном давлением. После выпрессовывания определяют плотность прессовки. Полученное значение плотности в первом случае представляет собой прессуемость порошка при указанном давлении. Заключение плотности во втором случае можно использовать для построения кривой прессуемости порошка, то есть графика плотности как функции давления прессования. После выпрессования образцы взвешивают с погрешностью ±0,001 г и измеряют микрометром с погрешностью ±0,001 мм.

Формуемость.

Формуемость порошка оценивает его способность сохранять приданную ему форму при прессовании в заданном интервале пористости. Эта характеристика порошка определяется при прессовании навески массой не менее 200г. В пресс-форме с последующим определением границ (минимального и максимального значения) интервала пористости (плотности) при котором прессовки после извлечения из пресс-формы не осыпаются и не имеют расслоения. Формуемость порошка зависит от формы, размера и состояния поверхности частиц.

К химическим свойствам относятся их химический состав, газонасыщенность, пирофорность, токсичность, взрывоопасность. Химический состав оценивают содержанием основных компонентов, примесей или загрязнений и газов. Зависит он от состава исходных материалов и метода получения порошков. Предельное содержание примесей в порошках определяется их допустимым количеством в готовой продукции, а химический анализ по методикам, принятым для общего анализа металлов. Исключением является лишь определение содержания кислорода.

Газонасыщенность - содержание газов на поверхности и внутри частиц порошка.

Пирофорность - способность порошка к самовоспламенению на воздухе при отсутствии нагрева. Токсичность - способность порошка вызывать нарушения физиологических функций организма, в результате чего возникают симптомы интоксикаций [2].

Таким образом свойства получаемого изделия определяются свойствами порошкового материала, из которого оно было выполнено. Порошки одного и того же химического состава, но с различными физическими характеристиками обладают резко выраженными различными технологическими свойствами, что влияет на условия дальнейшего превращения порошков в готовые изделия и на их свойства [1].



1.3 Способы получения порошковых материалов

Существующие способы получения порошков весьма разнообразны - это делает возможным придания изделиям из порошка требуемых физических, механических и других свойств. Также метод изготовления порошка определяет его качество и себестоимость. Выделяют два способа получения порошков: физико-химические и механические [3].

К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате полученный порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала. К физико-химическим методам относятся: электролиз, термическая диссоциация карбонильных соединений, восстановление оксидов твердыми восстановителями и газами, метод испарения и конденсации и др. [1].

Под механическими методами получения порошков понимают технологические процессы, при которых в результате действия внешних механических сил исходный металл измельчается в порошок без изменения его химического состава. Чаще всего используется измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций. К механическим методам относят: измельчение металла резанием, размол в шаровых мельницах, измельчение в вихревых мельницах, дробление в инерционных дробилках, распыление струи жидкого металла паром, водой, сжатым газом [1].

Рассмотрим более подробно методы получения порошков резаниям, к ним относят: ротационное точение, фрезерование, вибрационное точение, фрезерование и точение. При ротационном точении повышается производительность обработки, за счет высокой стойкости режущего инструмента, которая достигается благодаря применению новых инструментальных материалов и методов их упрочнения. Этот метод основан на замене традиционного трения скольжения между рабочими поверхностями режущего элемента и обрабатываемым материалом трения качения.

Ротационное фрезерование так же обладает высокой производительностью за счет высокой стойкости режущего инструмента, что является важным фактором при обработке длинных плоскостей (обычная торцовая фреза из-за недостаточной размерной стойкости не позволяет обеспечить непрерывность обработки без переточки ее или замены пластинок). Вибрационное точение является энергосберегающим и экологически безопасным способом. Разработано устройство для вибрационного точения с использованием вынужденных низкочастотных колебаний резца.

Метод вибрационного фрезерования отличается своей стабильностью получения требуемых размеров порошка. Оборудование для вибрационного точения обладает высокой производительностью и долговечностью. Для порошков, получаемых при точении компактных металлов, подбирают такой режим резания, который обеспечивает образование частиц, а не сливной стружки. При этом образующиеся отходы в виде крупной стружки целесообразно использовать для дальнейшего измельчения в шаровых, вихревых и других аппаратах, а мелкую стружку и опилки с величиной частиц порошка около 1 мм можно использовать для изготовления изделий без дополнительного дробления. В некоторых случаях применение этого метода для получения порошка является почти единственным. Прежде всего, это относится к тем металлам, которые очень активны по отношению к кислороду, особенно в состоянии высокой дисперсности. Следует учитывать, что при получении металлических порошков механическими методами возможно их загрязнение [1].

Диспергирование расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкостью или механическим способом позволяет получать порошки, называемые распыленными. Процесс характеризуется высокими производительностью, технологичностью, степенью автоматизации и сравнительно малыми энергозатратами, он экологически чистый. Метод диспергирования расплава позволяет также использовать в качестве исходного материала отходы металлообрабатывающей промышленности. Распыление весьма эффективно при получении порошков многокомпонентных сталей и обеспечивает объемную равномерность химического состава, оптимальное строение и тонкую структуру каждой образующейся частицы.

1.4 Схемы ротационного точения

В металлообрабатывающей промышленности находят применение различные схемы обработки металлов резанием. Одной из таких схем является схема ротационного точения[]. Ротационным точением называется точение материала сборным лезвийным инструментом, круглое лезвие которого совершает при обработке вращательное касательное движение. Ротационное точение - высокопроизводительный метод обработки материалов [4]. Такое точение предполагает относительное перемещение режущего лезвия в касательном направлении. Режущая часть имеет круговую режущую кромку, что означает вращение ее вокруг своей оси. Таким образом, в процессе ротационного точения происходит непрерывная смена контактных поверхностей не только детали, но и инструмента. Кроме того, непрерывно обновляется активный участок режущего лезвия, который периодически участвует в процессе снятия стружки [4]. При периодическом прерывании процесса резания улучшаются условия работы режущего инструмента, а также контактные условия и теплоотвод из зоны резания, снижаются усилия резания. Практические задачи по реализации технологий ротационного точения для различных производственных целей основываются нами на комплексе теоретических и экспериментальных исследований по работе ротационными инструментами

Ротационное точение имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным точением:

Более высокая производительность (высокая подача и скорость резания) по сравнению с обычным точением;

Низкая шероховатость обработанной поверхности (Ra 0,2 мкм);

Высокая стойкость инструмента, которая достигается снижением температуры резания, небольшим линейным износом, который не накапливается, как в обычном инструменте, на одном неподвижном участке лезвия, а равномерно распределяется по всей длине лезвия, хорошими условиями теплоотвода от работающих участков лезвия в режущую чашку, имеющую большой радиус кривизны, уменьшением сил трения между рабочими поверхностями инструмента и обрабатываемым материалом (стойкость ротационного инструмента в десятки раз выше по сравнению с традиционным инструментом);

Температура в зоне резания при обработке ротационным инструментом по сравнению с традиционным снижается до 40%, благодаря, большей длине круговой режущей кромки лезвия, непрерывному вращениюее во время работы, хорошим условиям охлаждения лезвия за время холостого пробега;

Микрорельеф обработанной поверхности с округленными вершинами и впадинами микронеровностей и большей в 1,2-1,3 раза, по сравнению с обработкой обычным режущим инструментом, относительной опорной длиной профиля поверхности, что способствует повышению износостойкости

Высокая длительная точность и стабильность процесса.

Недостатки:

Сложная технология изготовления инструмента, по сравнению с обычным токарным инструментом;

Невозможно обрабатывать внутренние поверхности;

Сложность конструкции.

Большая стойкость ротационных режущих инструментов и низкая температура резания, способствует повышению производительности обработки в 4-6 раз, а так же улучшению обрабатываемости труднообрабатываемых и вязких материалов традиционными инструментальными твердыми сплавами вольфрамовой, титано-вольфрамовой и других групп. Но т.к. технология изготовления и эксплуатация инструмента сложна, то ротационное точение целесообразно использовать в массовом производстве.

Для нормальной работы ротационного резца необходима соответствующая установка его оси относительно обрабатываемой поверхности. Схема ротационного точения - схема установки положения инструмента относительно заготовки [4]. Различают две геометрические схемы ротационного точения, отличающиеся функциями, которые выполняют торец и боковая поверхность режущей чашки. Каждая геометрическая схема может быть реализована с двумя различными направлениями угла поворота оси режущего элемента.

Таким образом имеет место 4 варианта схем ротационного точения. Так же для общности к этим схемам можно добавить еще две схемы с нулевым углом поворота. Все схемы представлены на рис. 1.1. При первой геометрической схеме торец чашки выполняет функции передней поверхности, а боковая часть - соответственно задней поверхности лезвия инструмента, на рис. 1.1 а, б, в показаны варианты установки ротационного инструмента по первой геометрической схеме. При установке по схеме, представленной на рис. 1.1 а, торцовая плоскость и вершина резца соответственно располагаются на уровне оси центров станка. Вращение инструмента осуществляется принудительно. На практике такая схема реализована при обработке титановых и других труднообрабатываемых сплавов с повышенными глубинами резания [4].

В зависимости от направления поворота различают прямую и обратную схемы установки ротационного инструмента. При обратной схеме установки наклон оси инструмента осуществляется по часовой стрелке (рис. 1.1 в), соответственно при прямой схеме установки наклон оси осуществляется против часовой стрелки (рис. 1.1 б). Наиболее действенный, недостаток, заключается в том, что угол режущего клина при обратной схеме приходится выполнять меньшим, чем при прямой схеме. Налицо потеря прочности режущего клина. Прямая схема, как это следует из анализа обратной схемы, является более оптимальной.

Рассмотрим вторую геометрическую схему ротационного резания (рис. 1.1, г, д, е). Функции передней поверхности инструмента выполняют при этом боковая поверхность чашки, а функции задней - торец чашки. Вершина резца располагается на уровне линии центров станка. Часть режущей кромки находится при этом выше линии центров. Как и для первой геометрической схемы ротационного резания, для второй схемы также имеет место прямая (рис. 1.1, д) и обратная (рис.1.1, е) схемы установки. Вторая схема работает аналогично первой. Применение второй схемы установки приведет к расположению инструмента относительно детали и движений, из которого следует, что резание в этом случае весьма затруднительно. Форма режущего клина такова, что клин работает больше на изгиб, передний угол получается отрицательным. Придать задний угол возможно только за счет поднутрения. Проблематичным становится использование твердого сплава. Кроме того, инструментальную оснастку приходится компоновать впереди инструмента, что сузит область применения способа обработки.

При первой геометрической схеме возможно использовать многоступенчатость (ставить несколько режущих чашек на одну ось), при второй же схеме, этого сделать не получиться, и в инструменте может находиться только один режущий элемент. Но для большей эффективности при второй схеме можно поставить несколько инструментов, если это позволяет оборудование.

Еще одно отличие этих схем в том, что при первой схеме зубья нарезаются на периферии, а при второй - на торцовой плоскости. Когда чашки режут периферией, то для большей площади резания, чашку можно довернуть до полного касания всей режущей части. Нарезать зубья на торцовой плоскости возможно, но в использовании такие чашки затруднительны.

Рисунок 1.1 - Схемы ротационного точения

При ротационном точении назначение первой схемы установки с прямой схемой резания, по сравнению с другими комбинациями, несомненно, дает ощутимые преимущества. Поэтому выбор именной этой схемы представляется более логичным.

Цель и задачи проектирования

Цель: разработать метод получения порошков ротационным точением при совместном вращении режущих элементов, определить влияние параметров операции на форму и размеры получаемого порошка.

Задачи:

1. Рассмотреть существующие методы получения порошков, схемы ротационного точения, возможности их применения для получения порошковых материалов.

2. Рассмотреть кинематику ротационного точения с совместным вращением режущих элементов, выбрать геометрическую схему и схему установки.

3. Разработать методику моделирования формообразования порошков ротационным точением, методику проведения экспериментальных исследований.

4. Разработать математическую модель формы и размеров получаемого элемента порошка, а также написать алгоритм и программу определения формы и размеров элемента порошка. Провести анализ полученной математической модели с помощью современных математических программных комплексов. Установить степень влияния параметров, входящих в математическую модель, на форму и размеры получаемого порошка.

5. Определить основные затраты на производство порошка, ротационным точением.

6. Разработать мероприятия по технике безопасности, по обеспечению пожарной и электробезопасности.



2. Методика проведения исследования

Основными целями при проведении эксперимента являлись: получение образцов порошка на различных режимах резания для последующего сравнения их с размерами, полученными с помощью расчетов математической модели. Определить влияет ли режим резания на угол подъема винтового следа. Так же необходимо определить микротвердость полученных частиц порошка для того, чтобы установить изменяются ли свойства материала в процессе обработки.

2.1 Оборудование, оснастка, инструмент

Получение порошка, а также измерение угла подъема винтовой линии на заготовке, производилось на токарно-винторезном станке повышенной точности ФТ-11 (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Станок токарно-винторезный модели ФТ-11

Основные характеристики текущего станка приведены в таблице 2.1:



Таблица 2.1 - Основные характеристики станка ФТ-11

Параметр	Значение
Максимальный диаметр обрабатываемой детали над станиной, мм	500
Максимальный диаметр обрабатываемой детали над суппортом, мм	260
Максимальная длина обрабатываемой детали, мм	2000
Мощность электродвигателя главного движения, кВт	0,75
Мощность электродвигателя быстрых перемещений, кВт	11
Обороты шпинделя, об/мин	10-2000
Габариты станка (длина, ширина, высота), мм	3850х1370х1435
Масса, кг	3500

При проведении исследований в качестве материала заготовки использовался алюминиевый сплав. Закрепление заготовки осуществлялось в трехкулачковом патроне станка с поджатием задним центром. Перед началом проведения эксперимента, заготовка в черновую обтачивается от литейной корки, раковин и дефектного слоя токарным проходным резцом (рис 2.2). Это делается с целью снижения погрешности, влияющей на точность проведения экспериментов. На станину станка, под зону обработки устанавливается лоток для сбора порошка.

Рисунок 2.2 -Токарный проходной резец

В качестве инструмента используется ротационный резец (рис. 2.3). Резец состоит из державки, вилки, которая в свою очередь, включает в себя две режущие чашки, соединенные шпонкой, которые совместно вращаются в опорах вилки. Режущие чашки представляют собой диски с конической поверхностью. Обе режущие чашки имеют на конической поверхности зубья трапецеидальной формы.

Рисунок 2.3 - Ротационный резец

Для определения формы и размеров, в процессе эксперимента использовался металлографический микроскоп МИ-1 (рис. 2.4). Микроскоп представляет собой комбинацию двух увеличивающих оптических систем - объектива и окуляра и ряда вспомогательных оптических элементов: зеркала, призмы и т.п. Объектив дает действительное, увеличенное, обратное изображение и представляет сложное сочетание линз, располагающихся в одной оправке и находящихся в непосредственной близости к объекту. Увеличение окуляра меньше, чем объектива и подбирается таким образом, чтобы можно было достаточно четко рассмотреть изображение, создаваемое объективом. Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра.

Рисунок 2.4 - Микроскоп МИ-1



Технические характеристики микроскопа МИ-1 приведены в таблице 2.2:

Таблица 2.2 - Технические характеристики микроскопа МИ-1

Параметр	Значение
Масса, кг	30
Габариты, (длина, ширина, высота), мм	750х350х420
Чувствительность тонкой фокусировки, мм/об	0,08
Величина фокусировки (не менее), мм	7
Поворот стола вокруг оси Z, град	±15
Ход стола по координатам X, Y (не менее), мм	25х25

Определение микротвердости осуществлялось на микротвердомере ПМТ-3, который представляет собой микроскоп, предназначенный для измерения микротвердости металлов. Принцип действия прибора основан на вдавливании правильной четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136є в исследуемый материал под определенной нагрузкой (100г) и измерении линейной величины диагонали полученного отпечатка.

Устройство прибора ПМТ-3 показано на рис. 2.5. Штатив, состоящий из основания и колонки, имеет снаружи ленточную резьбу для перемещения кронштейна. В кронштейне размещены механизмы макрометрической и микрометрической подач для вертикального перемещения микроскопа; предметный столик, который имеет крестообразное перемещение и может поворачиваться на 180є (от одного упора до другого); нагружающий механизм, состоящий из штока, подвешенного к свободным концам двух пружин, другие концы которых закреплены в корпусе механизма.

В нижний конец штока вставляется оправка с алмазным наконечником, а на утолщенную часть штока кладется гиря из разновеса, приложенного к прибору. Опускание штока для нанесения отпечатка производится путем освобождения арретира.



Рисунок 2.5 - Общий вид ПМТ-3: 1 - механизм макроподачи;

2 - механизм микроподачи; 3 - стойка; 4 - механизм нагружения; 5 - исследуемый образец; 6 - станина; 7 - окулярный микрометр; 8 - тубус; 9 - центрировка; 10 - осветитель; 11 - объектив; 12 - алмазная пирамида; 13 - столик

Определение микротвердости осуществляется следующим образом: образец устанавливается на столике, таким образом, чтобы испытуемая поверхность была перпендикулярна оси пирамиды. Выбранное под микроскопом место для определения микротвердости передвижением предметного столика подводят в середину нуля зрения микроскопа на перекрестке нитей винтового окулярного микрометра. На шток наконечника устанавливаются гири, осуществляющие нагрузку, при которой определяется микротвердость.

Предметный стол поворачивают плавно, без толчков до упора для того, чтобы подвести испытуемый образец под наконечник. Медленно освобождая арретир (в течении 10-15с), опускают шток так, чтобы наконечник углубился в образец под действием приложенной нагрузки. После выдержки под нагрузкой шток вновь арретируют и наконечник поднимается в исходное положение, освобождая образец с полученным отпечатком располагают под объективом на перекрестке нитей винтового окулярного микрометра. Если отпечаток располагается не в поле зрения, то двумя центровочными винтами его совмещают с перекрестием. После этого измеряют диагональ отпечатка и твердость рассчитывают по формуле или по специальным таблицам.

2.2 Методика определения характеристик порошка, угла подъема винтовой линии

В рамках дипломного проекта определяются следующие характеристики порошка: микротвердость, размеры и форма частиц порошка. Определение указанных характеристик регламентированы стандартами: ГОСТ 23402-78 "Порошки металлические. Микроскопический метод определения размеров частиц", ГОСТ 9450-76 "Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников". Методы определения размеров частиц порошка делятся на два вида: ситовый метод и микроскопический. В данной работе используется прямой метод - микроскопия.

Микроскопическое определение гранулометрического состава порошка представляет собой один из наиболее традиционных методов анализа. Метод с использованием оптического микроскопа ограничен размером частиц в связи с тем, что меньшие частицы уже не отражают свет. Электронный микроскоп применяют для частиц размером более крупные частицы измеряются с помощью оптического микроскопа. Число измеряемых частиц определяется заданной точностью анализа. Очевидно, что чем больше охарактеризовано частиц, тем более точный результат. В ГОСТ 23402-78 "Порошки металлические. Микроскопический метод определения размеров частиц" изложен микроскопический метод определения размеров частиц, который распространяется на металлические порошки с размерами частиц от 1 до100 мкм.

Пробу для испытаний массой 5-7 г отбирают по ГОСТ 23148-78 "Порошки металлические. Методы отбора и подготовки проб". Препарат приготовляют двумя методами:

- из сухого порошка;

- с использованием суспензии порошка в диспергирующей жидкости.

Препарат готовят из сухого порошка следующим образом: пробу для испытаний массой 5-7 г тщательно перемешивают на стеклянной плитке, рассыпают полосой длиной 7-8 см и разделяют на 7 или 8 приблизительно равных частей. Четные части отбрасывают, а нечетные смешивают и повторно сокращают таким же образом. Повторяют до получения пробы массой 0,5-1 г. Затем переносят на кончике стеклянной палочки небольшое количество порошка на предметное стекло, добавляют 1-2 капли диспергирующей жидкости, распределяют равномерно смесь палочкой по стеклу, накладывают покровное стекло и надавливают на него осторожно во избежание выходабольших частиц за пределы стекла. Избыток жидкости удаляют промокательной бумагой.

Препарат с использованием суспензии готовят так: пробу для испытаний массой 5-7 г помещают в кювету и добавляют диспергирующей жидкости столько, чтобы получился микроскопический препарат с количеством частиц в поле зрения, как описано ниже (при сравнении препаратов под микроскопом). Порошок и жидкость перемещают и переносят пипеткой каплю суспензии на предметное стекло, накладывают покровное стекло и надавливают на него осторожно во избежание выхода больших частиц за пределы стекла.

При измерении используют проекционные или оптические микроскопы, позволяющие вести наблюдение в проходящем свете или при непосредственном наблюдении. Конструкция микроскопа, объективов и окуляров должна обеспечивать хорошее качество изображения. Измерения можно проводить по снимкам микроскопических изображений.

Увеличение микроскопа следует подбирать а зависимости от размеров измеряемых частиц, при этом оно не должно превышать 1000-кратную величину апертуры объектива. Применяемый при измерении конденсор должен иметь апертуру, не меньшую, чем объектив, с которым он применяется.

Измерение такой характеристики, как микротвердость производится по ГОСТ 9450-76 "Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников". Для измерения микротвердости применяется микротвердомер ПМТ-3. Он представляет собой микроскоп, предназначенный для измерения микротвердости металлов, сплавов, стекла, абразивов, керамики, минералов и других материалов. Испытание на микротвердость вдавливанием по методу восстановленного отпечатка заключается в нанесении на испытуемую поверхность изделия (образца) отпечатка под действием нагрузки, приложенной к алмазному наконечнику в течение определенного времени. Для испытаний на микротвердость рекомендуется применять алмазный наконечник с формой рабочей части в виде четырехгранной пирамиды с квадратным основанием в оправке типа НПМ по ГОСТ 9377-81 "Наконечники и бойки алмазные к приборам для измерения твердости металлов и сплавов. Технические условия". Стабильность измерений может нарушаться из-за влияния перемычки (длины линии стыка противоположных граней), возникающей в вершине четырехгранной пирамиды при ее изготовлении. Величина перемычки ограничена, но неодинакова у разных наконечников, а на процесс испытания она оказывает дополнительное нестабильное сопротивление вдавливанию, которое выявляется в основном при сравнительно малом значении глубины отпечатка h, одного порядка с размером перемычки.

Прежде чем приступить к работе на приборе, необходимо проверить "чувствительность" механизма нагружения. Он должен быть отрегулирован по высоте так, чтобы при точной фокусировке микроскопа на исследуемый предмет без груза алмазная пирамида не оставляла отпечатка на шлифе из мягкого металла; при нагрузке 0,5 г алмазная пирамида должна оставлять отпечаток видимый в микроскоп. Проверка "чувствительности" механизма нагружения производится при увеличении 487х. "Чувствительность" механизма нагружения со временем может нарушиться. Восстановление ее производится вращением регулировочной гайки. Для этого нужно предварительно освободить винт, стягивающий лапки наружной втулки, и после регулировки "чувствительности" механизма нагружения вновь затянуть его.

Сам процесс происходит так: в нижний конец штока вставляется оправка с алмазным наконечником, а на утолщенную часть штока кладется гиря из равновеса, приложенного к прибору. Опускание штока для нанесения отпечатка производится путем освобождения арретира. Определение микротвердости осуществляется следующим образом: образец ставится на пластину таким образом, чтобы испытуемая поверхность была перпендикулярна оси пирамиды.

Выбранное под микроскопом место для определения микротвердости передвижением предметного столика подводят в середину ноля зрения микроскопа на перекрестке нитей винтового окулярного микрометра. На шток наконечника устанавливаются гири, осуществляющие нагрузку, при которой определяется микротвердость. Предметный стол поворачивают без толчков до упора, для того чтобы подвести испытуемый образец под наконечник. Медленно освобождая арретир (в течение 10-12 с), опускают шток так, чтобы наконечник углубился в образец под действием приложеной нагрузки. После выдержки под нагрузкой шток вновь арретируют и наконечник поднимается в исходное положение, освобождая образец. Предметный стол отводят в первоначальное положение и образец с полученным отпечатком располагают под объективом на перекрестке нитей винтового окулярного микрометра. Если отпечаток располагается не в поле зрения, то двумя центровочными винтами его совмещают с перекрестием. После этого измеряют диагонали отпечатка твердость рассчитывают по специальным таблицам.

При получении порошков по схеме ротационного точения с использованием "зубчатого" режущего элемента, который при резании образует с заготовкой своеобразную винтовую зубчатую пару, на поверхности заготовки образуются фасонные винтовые поверхности следов зубьев инструмента. Винтовые следы можно характеризовать углом подъема щ.

Угол подъема (щ) следов режущего лезвия вычисляется по следующей формуле:

(2.1)

где:

T - осевой шаг;

D - диаметр заготовки.

(2.2)

где:

- угол поворота шпинделя;

L - продольное перемещение суппорта.

Осевой шаг измеряется следующим образом: вершина токарного резца подводилась к верхней точке гребня винтового следа (рис. 2.6а), после чего значения лимбов продольного перемещения суппорта станка и угла поворота шпинделя, обнуляются. Это положение принимается за исходное. После чего шпиндель станка проворачивается на угол д.

Вершина токарного резца из исходного положения перемещается в продольном направлении, до совпадения с первоначальной верхней точкой гребня винтового следа (рис. 2.6б), на величину L.

3. Моделирование формы и размеров получаемого элемента стружки

Основной целью моделирования процесса ротационного точения является определение размеров и формы получаемого порошка. Рассмотрим процесс ротационного точения по выбранной схеме резания. Для решения задачи моделирования формы и размеров элемента порошка необходимо уяснить основные закономерности кинематики процесса. На её базе рассмотреть траекторию движения произвольной точки режущей чашки. Зная траекторию движения и форму режущего элемента можно выделить элемент образующейся стружки и определить искомую форму и размеры.

...