Автоматизация рабочего процесса обработки детали без снятия стружки

Категория:
Токарные автоматы и полуавтоматы


Автоматизация рабочего процесса обработки детали без снятия стружки

Изготовление полых симметричных деталей (трубчатых или конических) из простых заготовок методом холодного выдавливания на станке при полуавтоматическом цикле позволяет производить их быстрее и получать прочнее, чем при обычной обработке на станках. Кроме того, это дает возможность экономить металл путем исключения отхода его в стружку и получать прочность, твердость и другие преимущества термически обработанных деталей без применения легированных сталей и термических процессов. Этот процесс аналогичен во многих отношениях ручному выдавливанию, если не считать того, что для холодного течения металла вдоль оправки применяется давление 400 ООО фунтов на квадратный дюйм (281 кГ/мм2). Обычно изготовление детали завершается за один ход формующих роликов.

Для изготовления полых и трубчатых деталей реактивных двигателей и газовых турбин, требующих применения труднообрабатываемых материалов, фирмой Синсиннати был разработан специальный станок токарного типа. Он оборудован гидравлическим следящим устройством, расположенным на задних салазках.

Посредством обдавливания при вращении на нем быстро и точно могут быть изготовлены разнообразные по форме детали при меньшей стоимости по сравнению с обычными методами. Полученные таким методом детали отличаются повышенными прочностью, сопротивлением усталостным разрушениям и твердостью.

Рис. 1. Сдвоенный токарно-давильный полуавтомат для обработки деталей с габаритными размерами 42X50 дм. (1067 X 1270 мм).

Токарно-давильный полуавтомат Синсиннати модели Гайдроспин предназначен для изготовления полых конусов и цилиндров диаметром до 42 дм. (1067 мм) и длиной до 50 дм. (1270 мм) холодным обдавливанием при вращении дисковых или кольцевых заготовок почти из любого ковкого металла. Приводимый посредством двигателя мощностью от 20 до 50 л. с. с бесступенчатым регулированием полуавтомат в зависимости от условий применения имеет два независимо действующих суппорта с формующими роликами с гидравлическим управлением; эти суппорты могут перемещаться либо одновременно, либо независимо один от другого в соответствии с тем, как этого требует процесс токарно-давильной обработки.

Каждый суппорт с формующим роликом имеет длину хода до 54 дм. (1370 мм) вдоль своих основных направляющих и. поперечный ход в 10 дм. (254 мм). Давление ролика удовлетворяет требованиям, вполне достаточным для придания плоскому диску толщиной 3U дм. (19 мм) из хромомолибденовой стали 4130* формы конуса с углом в 60° между образующими. Также можно раскатывать трубы из этой же стали с толщиной стенок 0,5 дм. (12,7 мм) с уменьшением толщины на 60% за один проход. При этом давления должны достигать от 300 000 до 400 000 фунтов на квадратный дюйм (от 211 до 281 кг/мм2).

Основные салазки, несущие суппорты с роликами, установлены на плоских сварных стальных направляющих (с площадью поверхности 12 кв. футов) с Т-образными пазами и могуг быть повернуты под некоторым углом. Применяя параллельное расположение супор-тов с роликами по обе стороны заготовки, можно обкатать обда-вливанием трубы наружным диаметром до 42 дм. (1067 мм). Конусы с различными углами могут быть получены обдавливанием при расположении каждых салазок по отношению к линии центров под углом, равным половине угла конусности. Если этого требует конструкция заготовки, одни салазки могут быть налажены для выполнения одной операции, а другие — для выполнения последующей операции в пероид той же наладки. На рис. 18 изображена деталь из нержавеющей стали, обдавленная двумя роликами на специальной оправке. Эта оправка была установлена на задней бабке и приводилась во вращение от передней бабки. Первый формующий ролик выполнил на заготовке канавку, а второй ролик, управляемый следящим устройством, произвел обдавливание конусных стенок. Работа производилась при скорости вращения 300 об/мин.

Для обдавливания конусов с прямолинейной образующей используются дисковые заготовки. Для получения конусов со стенками переменной толщины, а также для обдавливания трубчатых участков на конусах или для обдавливания чашеобразных деталей со стенками переменного сечения необходимо применять предварительно профилированные заготовки. На рис. 19 изображены образцы обдавленной детали и формы исходных заготовок. Для получения чаши или отбортовки деталей в форме диска передние салазки могут быть удалены, а задние салазки расположены перпендикулярно к линии центров.

При обдавливании чашеобразных деталей с криволинейными стенками или ступенчатых конусов, или ступенчатых труб в больших количествах целесообразно пользоваться следящим устройством с контурным копиром. Гидравлические следящие устройства, управляемые от плоских контурных копиров, могут быть встроены к каждому из суппортов или обоим одновременно. Радиусы рабочей части контактного пальца и облавливающего выступа формующего кольцевого инструмента должны быть одинаковыми. Контурные копиры изготовляются из инструментальной стали толщиной 10 мм, закаливаются и шлифуются, причем предварительная форма такого контура выполняется на заготовке из мягкой стали.

Рис. 2. Деталь из нержавеющей стали, обдавленная на специальной оправке двумя роликами.

Перемещение продольных и поперечных салазок, а также задней бабки может производиться с помощью кнопок от пульта управления; эти перемещения можно настраивать на автоматический цикл с управлением посредством конечных выключателей. Шпиндель передней бабки имеет автоматическое управление пуска и останова, которое может быть сблокировано с цепью управления автоматическим циклом.

Рис. 3. Образцы обдавленных деталей и формы исходных заготовок.

Рис. 4. Следящее устройство с контурным копиром к су-порту токарно-давильного полуавтомата.

Задняя бабка тяжелого типа может передвигаться в пределах. 80 дм. (2032 мм), при этом наименьшее расстояние от планшайбы равняется 20 дм. (508 мм), а наибольшее составляет 100 дм_ (2540 мм). Полуавтомат рассчитан на обработку заготовки длиной в 50 дм. (1270 мм). Задняя бабка служит как для поддержания заготовки и оправки в период обдавливания при вращении, так и для прижатия заготовки к концу оправки.

Планшайба станка имеет наружный диаметр 36 дм. (914 мм) и снабжена отверстиями и гнездами для болтов, закрепляющих оправку. Планшайба монтирована на тяжелом шпинделе, установленном в мощных прецизионных радиальных и упорных подшипниках. Шпиндельная бабка может иметь дополнительные опоры для планшайбы, чтобы воспринимать высокие радиальные нагрузки. Шпиндель имеет два ряда скоростей — низкий ряд для шлифования и обтачивания и высокий ряд — для вращения при обдавливании.

Рис. 5. Схематический план сдвоенного токарно-давильного полуавтомата.

Станок имеет две гидравлические цепи управления. Для продольной подачи салазок суппортов с формующими роликами применен гидравлический насос, приводимый двигателем мощностью 7,5 л. с. Величина продольной подачи имеет бесступенчатое регулирование от 0 до 60 дм./мин. (1524 мм/^ин) в случае работы одних салазок и от 0 до 30 дм./мин. (762 мм/мин), когда работают двое салазок. Быстрый отвод имеет скорость 135 дм./мин. (3420 мм/мин) для одних салазок и 67 дм./мин. (1710 мм/мин) при одновременном отводе обоих салазок.

Для поперечных салазок и системы управления гидравлический привод снабжен вторым насосом, приводимым от двигателя мощностью 7,5 л. с. Величина подач поперечных салазок может изменяться от 0 до 54 дм./мин. (1370 мм/мин) при работе одного су-порта и от 0 до 27 дм./мин. (685 мм/мин) при одновременной работе обоих суппортов. Быстрый отвод поперечных салазок производится со скоростью 60 дм./мин. (1524 мм/мин) для одних салазок и со скоростью 30 дм./мин. (762 мц/мин) для двух салазок. Теплообменник контролирует температуру масла в резервуаре емкостью 100 галлонов (380 л), обслуживающем обе гидравлические системы.

Рис. 6. Размеры и рабочие контуры некоторых видов формующего кольцевого инструмента, применяемого на токарно-давильном полуавтомате:
а — инструмент для обдавливания конусов из толстых дисков; б — инструмент для обдавливания чашеобразных деталей из кольцевых заготовок; в — инструмент для обдавливания труб из кольцевых заготовок. Стрелки указывают направление движения инструмента при облавливании.

Каждый суппорт несет на себе ролик, его опоры и кольцевой формующий инструмент с наружным диаметром в 14 дм. (350 мм). Кольцевой формующий инструмент, применяемый на токарно-давильном полуавтомате, изготовляется из инструментальной стали и закаливается до твердости HRc =62-64, затем окончательно кругом шлифуется и полируется. Конструкция этого формующего инструмента зависит от выполняемой им операции. Для повышения производительности токарно-давильного полуавтомата может быть использован твердосплавный кольцевой формующий инструмент. Удаление роликов для смены кольцевого инструмента не нарушает устройства роликовых опор. Кроме того, применяются роликовые держатели на качающихся опорах.

Этот полуавтомат имеет также приспособления для обтачивания и шлифования оправок. Токарное приспособление может выполнять операции обтачивания, торцевания и отрезания без снятия заготовки с оправки. Профилирование оправок может быть выполнено по месту на планшайбе с помощью шлифовального приспособления.

Станок позволяет получать окончательную форму детали быстрее, чем это возможно обычными методами обработки на станках, и с меньшими отходами металла по сравнению с резанием, превращающим его в стружку. В некоторых случаях, при изготовлении детали из поковки, более чем половина начального веса заготовки должна была бы быть удалена в качестве стружки.

Рис. 7. Слева турбинный вал после первой операции обдавливания с углом между образующими конуса 60°, справа деталь, полученная после второй операции обдавливания, с соответствующим уменьшением угла между образующими.

Одной из наиболее трудных деталей для обдавливания является турбинный вал. Для получения окончательной формы турбинного вала из предварительно профилированной поковки необходимы две операции обдавливания. На первой операции получают внутренний угол между образующими 60°, который затем уменьшается во время второй операции обдавливания. Для получения турбинного вала из предварительно прокованной и профилированной заготовки требуются две оправки. Размеры, проставленные на чертеже этой детали, являются приближенными. После первого обдавливания длина образующей полученного конуса равняется В, а после второго обдавливания — С. Раньше турбинный вал обрабатывался резанием из большой дорогостоящей поковки. Применение способа обдавливания избавило от срезания в стружку более чем 45 кг металла с каждой детали и существенно снизило загрузку дорогих расточных станков.

Рис. 8. Чертеж заготовки и профилей полых деталей, получаемых при первом и втором обдавливании.

Если при обработке без снятия стружки посредством холодной пластической деформации на деталях останутся некоторые поверхности, которые не могут быть обдавлены, то последние операции ограничиваются лишь несколькими проходами со снятием стружки. Стоимость таких деталей составляет лишь около 20—30% от стоимости деталей, изготовленных обычным способом на металлорежущих станках из поковок полного размера. Для одной из деталей изменение конструкции, допускающее применение обдавливания при вращении под высоким давлением, сэкономило более 80% высоколегированного металла по весу на ее изготовление.

Испытания показали, что большинству пластических материалов можно придавать необходимую форму в холодном состоянии посредством обдавливания при вращении, если будет приложено соответствующее давление. Этот процесс нашел успешное применение для ряда алюминиевых сплавов, мягких сталей, большинства типов нержавеющих сталей и ряда марок жаропрочных сплавов. Только в одном случае для металлов с гексагональной кристаллической структурой типа титана оказалось необходимым практиковать подогрев заготовки во время операции обдавливания.

Детали, изготовляемые из титана, должны поддерживаться нагретыми до температуры от 485 до 595 °С в течение всего периода операции обдавливания, чтобы выполнить любую степень уменьшения сечения. Подогрев был осуществлен в опытных установках с управляемым газовым пламенем, которое доводит температуру заготовки перед началом обдавливания и поддерживает ее около 538 °С в течение всего цикла обдавливания. При этой температуре титан обдавливается легче, чем мягкая сталь. При обдавливании титана не. требуется смазки, так как образующиеся при его нагреве на воздухе окислы титана дают необходимую смазку. Однако при холодном обдавливании других металлов требуются и смазка и охлаждение.

При выборе охлаждения и смазки для процесса обдавливания руководствуются следующим: тепло, развивающееся при быстрой пластической деформации металла, должно быть энергично удалено, а зона контакта между облавливающими роликами и заготовкой должна быть хорошо смазана для предупреждения задиров.

Когда давление при обдавливании низкое, как например, при обдавливании алюминиевых сплавов или при обдавливании тонких заготовок, охладители из масел являются одинаково охлаждающими и смазывающими. При высоких давлениях необходимо применять раздельные составы для охлаждения и смазки. В этих случаях охлаждающая среда должна иметь высокую теплоемкость и содержать надежные антикоррозионные вещества. Смазка должна обладать свойствами, не допускающими ее смывания сильной струей охлаждения.

Рис. 9. Микрофотография с увеличением в 250 раз структур молибденовой стали до и после вытягивания облавливанием.

Величина усилия, прилагаемого к формующим роликам в процессе облавливания, изменяется почти прямо пропорционально пределу текучести материала заготовки и его толщине.

Несмотря на применение высоких формующих давлений, микроструктурный анализ материала деталей, образованных обдавлива-нием при вращении, показал, что нет доказательств появления разрывов в его кристаллической структуре. На рис. 25 изображены микрофотографии с увеличением в 250 раз. Верхняя микрофотография показывает типичную ориентацию зерен отожженной олибденовой стали 4340 *, а нижняя изображает структуру этого металла при вытягивании обдавливанием трубы на карусельном станке с утонением стенок трубы на 55%. На нижнем снимке видно что холодное вытягивание обдавливанием удлинило зерна параллельно направлению обкатывания при обдавливании. Испытание деталей, обдавленных при вращении с уменьшением сечения на 70—80%, также показало отсутствие существенного снижения физико-механических свойств. В действительности, почти в каждом случае пластическая деформация металла сопровождалась существенным увеличением прочности на растяжение и сопротивляемости усталостным явлениям. Обдавленная поверхность получала холодный наклеп и становилась гладкой и полированной.

Причинами появления трещин и разрывов в материале детали по мере придания ей формы обдавливанием» при вращении обычно являются включения песчинок или шлака в металле заготовки. Царапины и следы предшествовавшей холодной обработки или вибрации не оказывают существенного влияния, если операция формования не является крупной. Если же обрабатываемая форма находится на пределе в отношении размеров, т. е. является критической, и имеются большие напряжения в начале процесса обдавливания, то следы режущего инструмента или царапин могут привести к концентрации напряжений и поломке при рабочем контакте формующих роликов с заготовкой. Использование металла, расплавленного в вакууме, гарантирует получение неповрежденных заготовок. Это особенно действительно для титана и жаропрочных сплавов.

Подачи, применяемые при обдавливании формующими роликами, могут изменяться в широких пределах от 0,0005 до 0,168 дм./об. (от 0,013 до 4,25 мм/об), но обычно диапазон подач лежит между 0,010 и 0,080 дм./об. (0,25 и 2,0 мм/об). Для производственных операций, когда особого качества поверхности не требуется, величина подачи берется в пределах 0,030—0,050 дм./об. (0,75— 1,25 мм/об). Наилучшей скоростью вращения при обдавливании является окружная скорость заготовки, превышающая 1000 футов в минуту (305 м/мин).

Заготовки для операций обдавливания при вращении могут быть изготовлены из листового проката или пластин, поковок или отливок. При наличии окалины, последняя должна удаляться пескоструйной обработкой или травлением.

При получении конусов методом обдавливания из плоских дисков максимальный уход уменьшения, который может быть получен за один проход формующих роликов, зависит от обрабатываемости металла и от толщины заготовки. Наименьший внутренний угол, практически достигаемый, соответствует приблизительно 20° для алюминия и 30° для нержавеющей стали. При обдавливании конической детали из плоского диска металл заготовки прогрессивно перемещается в продольном направлении под действием больших напряжений сжатия, сообщаемых материалу заготовки формующим кольцевым инструментом, прижимающим заготовку к вращающейся оправке. В зависимости от свойств металла утонение за один проход может достигать 75% и более.

Рис. 10. Эскиз дисковой заготовки и получаемой из нее конической детали.

Толщина обработанных стенок, когда обдавливается конус и& плоской заготовки, равняется толщине этой заготовки, умноженной на синус половины внутреннего угла между образующими этого конуса. Таким образом, когда производится обдавливание до величины внутреннего угла в 30°, снижение толщины стенок составляет приблизительно 74%, так как sin 15° = 0,25882.

Рис. 11. Деталь сложной криволинейной формы, получаемая облавливанием с применением следящего устройства.

Деталь с основанием сложной криволинейной формы и прямолинейными конусными стенками легко облавливается иp диска котельного листа толщиной 6,35 мм при скорости вращения 950 об/мин. и величине подачи 0,5 мм/о6 с применением следящего устройства. Деталь получает свою форму на оправке, ее внутренний угол изменяется постепенно от 180 до 30° и стенки утоняются по правилу синуса.

Сложные конусы с двумя или более прогрессивно уменьшающимися углами и ступенчатые конусы могут быть получены на этом полуавтомате обдавливанием при вращении несколькими способами:
1) несколько углов могут быть получены отдельными проходами формующих роликов с применением одного или обоих роликов для образования каждой конической стенки на ступенчатых или отдельных оправках;
2) один ролик может быть налажен на обдавливание первого конуса, а затем за ту же установку второй ролик может войти в работу для обдавливания второго конуса;
3) один или оба ролика могут выполнить работу на всей длине детали при управлении следящим устройством от контурного-копира.

Рис. 12. Верхняя деталь представляет трубчатую заготовку, а нижняя деталь — изделие, полученное обдавливанием этой заготовки.

Для последних двух методов необходимы ступенчатые оправки. Включение управления от следящей системы целесообразно в тех случаях, когда требуется обработать большую партию деталей. Если толщина заготовки составляет 0,5 дм. (12,7 мм) или более,, то могут возникнуть некоторые трудности с применением одних и тех же роликов для образования конуса с различными углами.

При обдавливании цилиндрических труб процент утонения стенок зависит от конструкции формующего ролика, прочности оправки и облавливаемой трубы, а также от величины требуемого усилия. На рис. 12 верхняя деталь представляет трубчатую заготовку длиной 305 мм, с наружным диаметром 50,8 мм и толщиной стенок 5,7 мм, изготовленную из молибденовой стали 4340. Деталь подвергалась холодному обдавливанию при вращении со скоростью 100 об/мин. на карусельном станке для получения вала с утолщениями по концам. При обдавливании этой трубчатой заготовки толщина стенок была снижена за один проход на 55%, т. е. до 2,5 мм, при этом твердость возросла с HRC= 15 до #дс= 35. Схема установки на карусельном станке для холодного вытягивания облавливанием при вращении полых валов изображена на рис. 29. Формующий инструмент был монтирован на кулачках трехкулачкового токарного патрона. Патрон был укреплен на суппорте карусельного станка и перемещался вместе с ним, тогда как заготовка получала вращение вместе со столом станка. По этой схеме было произведено обда-вливание труб из алюминия, мягкой стали и молибденовой стали 4340 с утонением стенок на 80%. Подача составляла 19 мм/мин.

Кроме того, устанавливая салазки токарно-давильного полуавтомата под некоторым углом к оправке или применяя управление от следящей системы, легко получить трубы со стенками переменной толщины.

Наибольшее достигнутое утонение толщины стенок из молибденовой стали 4130 при обдавливании в направлении движения металла составляет 91%. Эта операция позволяет облавливать стенки толщиной 0,160 дм. (4,0 мм) с уменьшением до 0,0155 дм. (0,4 мм), причем металл после такого большого утонения был чрезвычайно твердым, а удлинение зерен — максимальным.

Когда участок трубы, подлежащий обдавливанию, длиннее чем трехкратный ее диаметр, необходимо применять два противоположных ролика, чтобы предотвратить прогиб оправки. В некоторых случаях, когда оправка совсем мала по диаметру, целесообразно поместить два ролика на задних салазках и один на передних, так чтобы они поддерживали заготовку между тремя точками и исключали бы любое стремление к отклонению оправки между центрами роликов.

Описанный в этом обзоре метод изготовления деталей относительно сложной конфигурации должен несомненно получить широкое распространение на многих машиностроительных заводах. В ряде случаев полые детали значительно выгоднее получать методом обдавливания формующими роликами, чем посредством обработки резанием, которое ведет не только к большим потерям и излишним затратам при переработке металла в стружку, но, кроме того, нередко оказывает вредное влияние на физико-механические свойства металла, подвергнутого обработке резанием.

Приведенные здесь примеры далеко не охватывают всех тех разнообразных форм деталей, которые могут быть получены описанным методом. При этом для отдельных разновидностей форм полых деталей не только должны быть изготовлены соответствующие оправки, но и разработаны оптимальные профили формующего кольцевого инструмента. Большим достоинством этого метода является и то, что он для некоторых форм деталей может быть применен на нормальном станочном оборудовании, нуждающемся лишь в некоторой дополнительной оснастке. Наиболее же эффективное использование этого метода может быть достигнуто на специально созданном оборудовании.

Рис. 13. Схема установки на-карусельном станке для холодного вытягивания обдавливанием полых валов:
1 — оправка; 2 — заготовка; 3 — трех-кулачковый патрон; 4 — зажимные кулачки; 5 — вращающийся стол карусельного станка.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум