Инновационный проект изготовления вала механизма рулевого управления автобуса ЛИАЗ 5226. Часть 2.

Страницы:   1   2   3

---

2.2. Экономическая эффективность

Затраты на механическую обработку.

Существует достаточно большое количество статей затрат на механическую обработку. Определяющими являются:

— затраты, связанные с основным временем обработки;

— затраты, связанные со вспомогательным временем обработки;

— затраты, связанные со временем наладки станка;

— затраты, связанные с эксплуатацией режущего инструмента.

Эти составляющие затрат связаны между собой. Например, если идти по пути приобретения наиболее дешевого инструмента, можно рассчитывать на определенное сокращение доли затрат на режущий инструмент, но одновременно может произойти увеличение вспомогательного времени на замену фрезы в случае сокращения её периода стойкости и соответствующее увеличение доли затрат на восстановление инструмента.

Можно с высокой степенью достоверности и сказать, что затраты на механическую обработку всегда определяются производительностью обработки и стой костью инструмента, так как эти показатели влияют на все статьи затрат. Естественно, при условии обеспечения заданной точности обработки.

Каждый станок в определенных производственных условиях имеет четко определенную стоимость эксплуатации. Эта стоимость, приведенная к одному часу работы станка, называется станко-часом. Станко-час не зависит от того, что и как обрабатывается на станке, а определяется затратами на амортизацию оборудования, затратами на возврат кредитов, связанных с покупкой оборудования, затратами на аренду площади под оборудование, затратами на энергоносители, затратами на ремонт и восстановление оборудования и административными затратами. В стоимость станко-часа можно включить затраты на заработную плату основных и вспомогательных рабочих, относящуюся к данному станку .

Зная стоимость станко-часа. можно связать параметры времени со стоимость. Умножая основное время на стоимость станко-часа. получаем затраты, связанные с основным временем. Расходы, оцениваемые стоимостью станко-часа. присутствуют даже тогда, когда станок не находится в процессе резания, а совершает вспомогательные перемещения или простаивает. Оценивая вспомогательное время (но всем составляющим — закрепление и раскрепление детали, холостой ход, время замены изношенного инструмента, время измерения детали на станке и т.д.) и умножая полученную величину на стоимость станко-часа. получаем затраты, связанные со вспомогательным временем. То же самое относится ко времени наладки и затратам на наладку в той части, которая связана с простоем станка.

Затраты при зубофрезеровании — влияние конструкции червячной фрезы.

Производительность при зубофрезеровании определяется временем обработки зубчатого венца которое, в свою очередь, зависит от нескольких конструктивных параметров червячной фрезы и режимов обработки.

Учитывая сказанное выше, время обработки, умноженное на стоимость станко-часа, определяет затраты в той части, которая связана с основным временем.

С уменьшением диаметра фрезы основное время сокращается. Уменьшать диаметр фрезы можно до определенного предела, поскольку при уменьшении диаметра фрезы уменьшается также полезная длина зуба, что приводит к сокращению полного периода стойкости. Достаточно простые расчеты позволяют: всегда найти оптимальное соотношение между этими двумя показателями. Кроме того, уменьшение диаметра фрезы приводит к увеличению следа от подачи; после фрезерования, что напрямую определяет шероховатость обработанной поверхности. В то же время увеличение диаметра фрезы позволяет увеличить число стружечных канавок. Увеличение числа стружечных канавок позволяет при той же толщине стружки на головке зуба увеличить подачу на оборот детали, что также сокращает основное время. С другой стороны, увеличение диаметра фрезы приводит к увеличению расстояния подвода и отвода фрезы. В некоторых случаях эти изменения компенсируют друг друга. Например, при увеличении диаметра фрезы с 30 мм до 130 мм расстояние подвода увеличивается с 15 мм  до 30 мм т.e. на 100%. Расстояние отвода остается при этом практически неизменным. В результате полное осевое перемещение фрезы увеличивается с 33 мм до 50 мм, т.е, на 50%. Число стружечных канавок при таком увеличении диаметра может быть увеличено с 7 до 26, т.е. на 400 %. Соответственно может быть увеличена осевая подача, что в конечном итоге приводит к существенному сокращению основного времени. Истина, как обычно, лежит посередине. Увеличивая подачу, мы одновременно увеличиваем след от подачи. Поскольку мы всегда имеем определенные ограничения по размеру следа от подачи (в зависимости от технологии обработки), то и увеличивать подачу мы может только до определенного предела. При этом общая тенденция в конструировании червячных фрез остается неизменной — уменьшение наружного диаметра при одновременном увеличении числа стружечных канавок.

Аналогичные рассуждения можно провести применительно к числу заходов. Увеличение числа заходов червячной фрезы сокращает основное время обработки. Однако увеличение числа заходов влияет на отклонение профиля обрабатываемого колеса, определяемое высотой отклонений огибающих резов при обработке.

С увеличением точности изготовления червячных фрез практически исчезла дополнительная погрешность, связанная с отклонением профиля фрезы от захода к заходу, но отклонение огибающих по-прежнему присутствует.

Оно увеличивается пропорционально квадрату числа ходов фрезы и ограничивает возможное число заходов. В конечном итоге отклонение огибающих влияет на погрешность формы профиля изготавливаемого зубчатого колеса.

Затраты при зубофрезеровании — влияние инструментального материала и покрытия.

Еще одним показателем, влияющим на основное время, является скорость резания. Увеличение скорости резания приводит к пропорциональному сокращению основному времени и к снижению связанных с этим затрат;

В то же время, один из основополагающих принципов обработки резанием, формула Тейлора гласит, что стойкость режущего инструмента обратно пропорциональна скорости резания. Увеличение скорости резания приводит к сокращению основного времени и, соответственно, к снижению связанных с этим затрат. Одновременно с этим увеличение скорости резания приводит к сокращению периода стойкости инструмента. Как следствие, возрастают другие составляющие затрат. Инструмент (в данном случае) червячную фрезу надо чаще менять, что приводит к увеличению доли вспомогательною времени, связанного с временем замены изношенного инструмента — надо снять изношенную фрезу, установить новую, проверить точность её установки по биению и. в ряде случаев, сделать пробный проход. Существует диапазон скоростей резания, в котором затраты на основное время и на вспомогательное время находятся в оптимальном соотношении. Именно в этой области скоростей резания и возможна наиболее эффективная эксплуатация инструмента. Численное значение скорости резания в эффективной области зависит от нескольких факторов.

Как и для любого другою инструмента, выбор скорости резания для червячной фрезы определяется, с одной стороны, инструментальным материалом и ею покрытием. С другой стороны, на выбор скорости резания влияние оказывает обрабатываемый материал и ею твердость. Дополнительным фактором. влияющим на выбор скорости резания, является наличие или отсутствие СОЖ при зубофрезеровании. Сочетание различных факторов определяет оптимальную с точки зрения стоимости обработки скорость резания. Эксплуатация инструмента на скорости резания ниже или выше оптимальной приводит к увеличению затрат на обработку либо из-за снижения производительности, либо из-за сокращения периода стойкости и связанных с этим затрат на замену инструмента.

Упомянутая в начале статьи ситуация с принципиально другими инструментальными материалами и наличием износостойкого покрытия отражает результаты борьбы за смещение оптимальной зоны эксплуатации червячных фрез в сторону более высоких скоростей резания. За счет чего?

В первую очередь, за счет применения в качестве инструментального материала порошковых быстрорежущих сталей, что обеспечивает существенное повышение скоростей резания и подач по сравнению с обычными порошковыми сталями при одновременном увеличении периода стойкости.

Быстрорежущая сталь была изобретена и применена как инструментальный материал в начале 20 века Фредериком Тейлором. Эта сталь имеет в качестве основы железо (Fe), которое смешано с углеродом (С) и легировано различными металлами, такими как ванадий (V), вольфрам (W). хром (Сг), молибден (Мо). кобальт (Со) и другими. Вступая в реакцию с углеродом, эти легирующие элементы образуют карбиды. Именно карбиды придают быстрорежущей стали твердость, износостойкость и вязкость. Разные легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали. Доля легирующих элементов в современных быстрорежущих сталях составляет от 15 % до 30 %.

Одной из основных проблем, связанных с быстрорежущими сталями, полученными традиционным методом, являются не постоянные форма и размеры, и неравномерное распределение карбидов. Управлять размерами и распределением карбидов очень сложно. В результате сталь может обладать целым рядом дефектов, таких как неоднородность металлургических характеристик, избыточная твердость и хрупкость в отдельных зонах, плохая обрабатываемость, высокий уровень деформаций при термической обработке и т.д. Этих дефектов практически лишены быстрорежущие стали, полученные метолом порошковой металлургии.

Порошковая технология получения быстрорежущей стали отличается от традиционного метода. Основные и легирующие элементы сначала измельчаются в среде инертного газа до состояния порошка с очень мелким зерном. Затем полученная смесь в нагретом состоянии помещается в капсулы (металлические цилиндры), которые запаиваются в вакууме. Далее в цилиндре спрессовываются при высокой температуре и под большим давлением (методом изостатического прессования). В результате получается компактная масса, в которой равномерно распределены карбиды различных легирующих элементов.

В быстрорежущих сталях, полученных порошковым методом, карбиды имеют малые размеры и очень хорошо распределены по всей массе материала. Кроме того, в этих сталях легче контролировать размер и распределение карбидов. Как следствие, можно увеличивать процентное содержание легирующих элементов, улучшая режущие способности стали. Преимущества порошковой быстрорежущей стали также обуславливаются её мелкозернистой структурой, отсутствием примесей (существенно влияет на вязкость) и отсутствием ликвации (сегрегации), т.е. высокой однородностью всей заготовки по химическому составу, структуре и включениям.

Одной из наиболее важных характеристик быстрорежущей стали является её твердость, которая обеспечивается соответствующей термической обработкой. Термическая обработка быстрорежущей стали всегда была достаточно сложным процессом, но появление порошковой стали предъявляет к этому процессу еще более высокие требования. Небольшое отклонение от заданной температуры или времени выдержки стали внутри закалочной печи может существенно изменить результат. Современные порошковые стали закаливаются до твердости 65.. .69 HRC.

Как уже констатировалось выше, в странах бывшего СССР порошковые стали имеют ограниченное применение. Производителей порошковых сталей в наших странах нет.

С 2010 г. Томский инструментальный завод освоил изготовление режущих пластинок их порошковых сталей, но только для токарных резцов и цилиндрических фрез. Для зуборезного инструмента в России пластины не делают.

Возможно приобретение полуфабрикатов у мировых поставщиков, но в этом случае у большинства производителей червячных фрез возникают проблемы с термической обработкой стали — из-за отсутствия современного оборудования не выдерживаются режимы термической обработки и возникают закалочные дефекты. Только в последнее время появляются предприятия, готовые в ограниченном объеме осуществлять термическую обработку порошковых сталей.

Если сравнивать порошковые и обычные быстрорежущие стали но техническим параметрам, но стоимости и по эффективности применения, то порошковые быстрорежущие стали находятся ближе к «идеальному» материалу — они одновременно имеют и более высокую твердость, и более высокую прочность.

Одновременное увеличение твердости и прочности позволяют одновременно увеличивать скорость резания и подачу. В таблице I приведены возможные значения скоростей резания и максимальной толщины стружки на головке зуба фрезы (фактически определяет максимальную величину подачи при обработке). Материал М35 является мировым аналогом отечественной быстрорежущей стали Р6М5К5. Остальные материалы в таблице — порошковые быстрорежущие стали с различной долей легирующих элементов. Указанные значения приведены для обработки зубчатых колес модулем 2 мм из стали прочностью около 700 Н/ мм в квадрате. Для толщины стружки приведен диапазон значений. Наиболее часто в настоящее время применяется порошковая быстрорежущая сталь марки S390, обеспечивающая возможность повышения скорости резания по сравнению с обычной быстрорежущей сталью на 40 % при обработке с СОЖ и в 2 раза при обработке без СОЖ. В этой таблице порошковые быстрорежущие стали расположены в порядке увеличения цены.

Как видно из таблицы 1, применение порошковой быстрорежущей стали обеспечивает существенное увеличение производительности.

Таблица 1 – Возможные значения скоростей резания и максимальной толщины стружки на головке зуба фрезы

 

Завершая рассмотрение вопроса о возможном увеличении производительности, отметим, что возможным ограничивающим фактором может быть состояние зубофрезерного станка. Станки старой конструкции или в плохом техническом состоянии могут ограничивать применение червячных фрез современных конструкций, из современных инструментальных материалов с современными износостойки ми покрытиями. ‘Этот фактор нужно учитывать при экономических расчетах.

Затраты при зубофрезеровании — точность червячных фрез.

Точность червячной фрезы может влиять на сокращение затрат двумя основными путями. Первый путь уже был упомянут в начале данной главы более высокая точность изготовления современных червячных фрез позволяет существенно уменьшить искажение контура при применении многозаходных червячных фрез.

Второй путь связан с возможным изменением маршрутной технологии. Определяющим является степень точности готового изделия — обрабатываемого зубчатого венца. В зависимости от этих требований и от возможностей применяемого оборудования и технологии выбирается маршрутный процесс. Применение более точных червячных фрез позволяет в некоторых случаях отказаться от промежуточных чистовых операций. Основным показателем, определяющим точность червячной фрезы, является погрешность зацепления в зоне контакта. Точность обработки зубчатого венца определяется полной погрешностью профиля.

Величина полной погрешности профиля ни при каких условиях не может быть меньше погрешности зацепления червячной фрезы. Иными словами, значение погрешности профиля червячной фрезы определят теоретически возможную точность обработки зубчатого венца без учета всех остальных погрешностей — станка, зажимных приспособлений фрезы и детали и т.д.

Рассмотрим дальнейшее на примере обработки цилиндрических зубчатых венцов. При переходе с фрезы класса точности В на фрезу класса точности А получаем теоретически возможное улучшение точности обработанного колеса с 10 до 8 степени точности. При  переходе в тех же условиях на фрезы класса точности АА мы получаем теоретическую возможность обработать зубчатое колесо с параметрами точности профиля, соответствующими 6 степени точности. Практические результаты, естественно, будут отличаться в худшую сторону, но для всех случаев — и для «хороших» и для «плохих» фрез.

В результате в ряде случаев появляется возможность исключить дополнительные проходы при фрезеровании или даже исключить целые операции, что приводит сразу к существенному сокращению затрат.

Назначение червячной фрезы состоит в удалении стружки е заготовки для создания необходимого профиля зуба. Как и к любому другому режущему инструменту, к червячной фрезе предъявляются два основных требования: обеспечение максимального периода стойкости и обеспечение заданною качества обработки.

Период стойкости являются определяющим фактором для доли стоимости обработки, относящейся к режущему инструменту. Чем выше стоимость инструмента, тем больше влияние периода стойкости на стоимость обработки.

Влиять на период стойкости червячной фрезы можно за счет оптимальною выбора скорости резания и подачи. Применительно к червячным фрезам подача определяется максимальной толщиной стружки на головке зуба фрезы.

Конструктивные параметры червячных фрез.

В первой статье данного цикла мы уже рассматривали элементы конструкции червячной фрезы и их влияние на параметры обработки. Рассмотрим эти элементы еще раз и определим стратегию выбора оптимальной конструкции червячной фрезы.

Мы уже определили, что при условии обеспечения заданной точности обработки основным критерием выбора инструмента и технологии обработки является минимальная стоимость обработки, которая в свою очередь определяется производительностью и стойкостью инструмента.

Производительность при зубофрезеровании определяется временем обработки зубчатого венца, которое, в свою очередь, зависит от нескольких конструктивных параметров червячной фрезы и режимов обработки.

С уменьшением диаметра фрезы и с увеличением числа заходов основное время сокращается. Отсюда вполне логичный ответ на вопрос, как увеличить производительность фрезы — уменьшить её наружный диаметр и увеличить число заходов. Однако при подробном рассмотрении этот ответ не всегда самый правильный.

Уменьшать диаметр фрезы можно до определенного предела, поскольку при уменьшении диаметра фрезы уменьшается также полезная высота зуба. Кроме того, как видно из формулы, уменьшение диаметра фрезы приводит к увеличению следа от подачи. В то же время увеличение диаметра фрезы позволяет увеличить число стружечных канавок. Увеличение числа стружечных канавок позволяет при той же толщине стружки на головке зуба увеличить подачу на оборот детали, что также сокращает основное время. С другой стороны, увеличение диаметра фрезы приводит к увеличению расстояния подвода и отвода фрезы. В некоторых случаях эти изменения компенсируют друг друга. Например, при увеличении диаметра фрезы с 30 до 130 мм расстояние подвода увеличивается с 15 до 30 мм т.e. на 100%. Расстояние отвода остается при этом практически неизменным. В результате полное осевое перемещение фрезы увеличивается с 33 до 50 мм т.e. на 50 %. Число стружечных канавок при таком увеличении диаметра может быть увеличено с 7 до 26, т.е. на 400 %. Соответственно может быть увеличена осевая подача, что в конечном итоге приводит к существенному сокращению основного времени.

Здесь кажется очевидным, что ответ на заданный вопрос о самой производительной фрезе снова очевиден — надо получить максимальное число стружечных канавок и, соответственно, увеличить подачу. Эта фреза и будет самой производительной. Однако и этот ответ не всегда самый правильный. Истина, как обычно, лежит посередине. Увеличивая подачу, мы одновременно увеличиваем след от подачи. Поскольку мы всегда имеем определенные ограничения по размеру следа от подачи (в зависимости от технологии обработки), то и увеличивать подачу мы может только до определенного предела. И результате может возникнуть ситуация, когда увеличение подачи уже не может скомпенсировать увеличение диаметра и соответствующее увеличение числа стружечных канавок и фрезы меньшего диаметра становятся более производительными.

Аналогичные рассуждения можно про вести применительно к числу заходов. Увеличение числа заходов червячной фрезы сокращает основное время обработки.

С увеличением точности изготовления червячных фрез практически исчезла дополнительная погрешность, связанная с отклонением профиля фрезы от захода к заходу, но отклонение огибающих по-прежнему присутствует. Оно увеличивается пропорционально квадрату числа заходов фрезы и ограничивает число заходов сверху. В конечном итоге отклонение огибающих влияет на погрешность формы профиля изготавливаемого зубчатого колеса.

Для предотвращения переноса погрешности изготовления червячной фрезы на обрабатываемую деталь необходимо обеспечить, чтобы каждый зуб червячной фрезы обработал каждую впадину зубчатого колеса. Это правило должно соблюдаться при выборе числа заходов и числа стружечных канавок фрезы. В общем виде это правило можно представить математически выражением:

При выполнении этого правила отклонения легко предсказуемы и могут быть заранее теоретически рассчитаны. Как правило, погрешности профиля, вызванные отклонением огибающих резов, существенно меньше, чем погрешности контактной линии, вызванные следом от подачи.

Как видно из изложенного выше, все конструктивные и эксплуатационные особенности червячной фрезы в той или иной степени влияют на результат обработки. Поставщики технологий обработки зубчатых колес, как правило, владеют программами расчета теоретических параметров зубчатого колеса и могут оптимальным образом подобрать режимы обработки и выбрать конструкцию червячной фрезы.

2.3. Инструментальные материалы современных червячных фрез

Любой инструментальный материал должен сочетать вязкость и твердость. В особой степени это относится к материалу червячных фрез. В процессе зубофрезерования зуб фрезы проходит разные участки резания. На этих участках меняется толщина стружки на головке зуба фрезы и луга контакта зуба с обрабатываемой деталью. Например, на входе в деталь при попутном фрезеровании толщина стружки максимальна, что требует высокой вязкости инструментального материала. На выходе зуба из детали (при попутном фрезеровании) и на выходящей стороне профиля зуба фрезы формируется тонкая стружка, приводящая к проскальзыванию зуба и высокому трению, что требует высокой сопротивляемости абразивному износу (твердости). Такая комбинация вязкости и твердости получается за счет вязкого инструментального материала и твердого износостойкого покрытия. В этой статье мы рассмотрим основные инструментальные материалы для червячных фрез, а следующая статья будет посвящена износостойким покрытиям для зубофрезерования.

Существует один из основных законов механики, который гласит, что чем металл тверже, тем он более хрупкий. Инструментальный материал должен разумно комбинировать эти свойства. Идеальным инструментальным материалом является тог. который позволяет реализовать обработку на высокой скорости резания (благодаря высокой износостойкости — и теплопроводности) и высокой подаче (благодаря высокой вязкости и высокой прочности на изгиб и растяжение).

Быстрорежущая сталь

Быстрорежущая сталь была изобретена и применена как инструментальный материал в начале XX века Фредериком У. Тейлором. Эта сталь имеет в качестве основы железо (Fe), которое смешано с углеродом (С) и легировано различными металлами, такими как ванадий (V), вольфрам (W), хром (Сг), молибден (Мо), кобальт (Со) и другими. Вступая в реакцию с углеродом, эти легирующие элементы образуют карбиды. Именно карбиды придают быстрорежущей стали твердость, износостойкость и вязкость. Разные легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали. Хром увеличивает прочность и твердость и уменьшает теплопроводность. Кобальт увеличивает твердость и износостойкость, а также стойкость к окислению и температурную стабильность. Молибден увеличивает твердость и температурную стабильность и предотвращает хрупкость. Вольфрам увеличивает твердость, теплостойкость и износостойкость. Ванадий повышает сопротивляемость к растяжению, трению и теплу, а также снижает хрупкость. Марганец увеличивает предел прочности стали. Доля легирующих элементов в современных быстрорежущих сталях составляет от 15% до 30%.

В последние годы быстрорежущие материалы претерпели значительные изменения, что привело к существенному улучшению их технических характеристик. В результате режимы резания с применением инструментов из быстрорежущей стали существенно возросли при одновременном увеличении периода стойкости инструмента. В основном это определяется переходом на быстрорежущие стали, полученные порошковым метолом.

Порошковая технология получения быстрорежущей стали отличается от традиционного метода. Основные и легирующие элементы сначала измельчаются в среде инертного газа до состояния порошка с очень мелким зерном. Затем полученная смесь в нагретом состоянии помещается в капсулы (металлические цилиндры), которые запаиваются в вакууме. Далее цилиндры спрессовываются при высокой температуре и под большим давлением (методом изостатического прессования). В результате получается компактная масса, в которой равномерно распределены карбиды раз личных легирующих элементов.

Одной из основных проблем, связанных с быстрорежущими сталями, полученными традиционным методом, являются непостоянные форма и размеры, и неравномерное распределение карбидов . Управлять размерами и распределением карбидов очень сложно. В результате сталь может обладать целым рядом дефектов, таких как неоднородность металлургических характеристик, избыточная твердость и хрупкость в отдельных зонах, плохая обрабатываемость, высокий уровень деформаций при термической обработке и т.д.

В быстрорежущих сталях, полученных порошковым методом, карбиды имеют малые размеры и очень хорошо распре делены по всей массе материала. Кроме того, в этих сталях легче контролировать размер и распределение карбидов. Как следствие, можно увеличивать процентное содержание легирующих элементов, улучшая режущие способности стали. Преимущества порошковой быстрорежущей стали также обусловливаются её мелкозернистой структурой, отсутствием примесей (существенно влияет на вязкость) и отсутствием ликвации (сегрегации), т. е. высокой однородностью всей заготовки по химическому состав), структуре и включениям. Метод получения порошковой стали ограничивает наружный диаметр изделия (в нашем случае червячной фрезы) 250 мм.

В международных стандартах быстро режущая сталь, полученная традиционным способом, обозначается HSS (от High Speed Steel — быстрорежущая сталь). Для стали, полученной порошковым способом, к обозначению добавляется РМ (от Powder Metallurgy — порошковая металлургия).

Сталь М2 является традиционной маркой быстрорежущей стали (аналог в России Р6М5), применяемой для изготовления червячных фрез уже несколько десятилетий. В наши дни основные фирмы, изготавливающие червячные фрезы, применяют эту сталь очень редко и только для инструментов, испытывающих не значительные нагрузки, применяемых на старых станках, на низких режимах резания. Это самая дешевая сталь.

Сталь М35 (аналог в России Р6М5К5) находит более широкое применение благодаря высокой доле кобальта и, соответственно, хорошей износостойкости. Это очень прочная сталь, она хорошо подходит для червячных фрез, испытывающих большую нагрузку.

Сталь группы F-PM (к ней относится универсальная сталь ASP2030 фирмы Erasteel) благодаря высокому содержанию кобальта и большой доле легирующих компонентов в целом (27 %) позволяет применять червячные фрезы на очень высоких режимах резания, в первую очередь — на высоких скоростях резания.

Стали группы G-PM (к этой группе принадлежат стали ASP2052 фирмы Erasteel и S390 фирмы Boehler) характеризуются высоким содержанием легирующих элементов (около 30%), особенно вольфрама, что позволяет получить высокую твердость и хорошую температурную стойкость стали. В сочетании с подходящим износостойким покрытием применение этих сталей в качестве инструментального материала позволяет потребителю существенно увеличить скорость резания.

Суперлегированные стали (к ним относятся хорошо известные TI5, М4, М42 и М34) должны применяться с особым вниманием. Применение этих сталей может обеспечить превосходную производительность, но не для всех применений и не на всех зубофрезерных станках. Например, есть опыт эксплуатации червячной фрезы на новом зубофрезерном станке на скорости резания 170 м/мин с подачей 3 мм на оборот детали. Обрабатывалось зубчатое колесо модулем 1,5821 мм, косозубое с углом наклона зуба 33-е, с шириной венца 14,3 мм, из стали 18ХГТ. Фреза была изготовлена из стали CPMREX 76 с покрытием TiAIN, диаметром 80 мм, с четырьмя заходами и 21 стружечной канавкой. Обработка велась без применения СОЖ. Время резания составило 13с на пакет из двух деталей. Был достигнут период стойкости фрезы 6,9 метра на зуб при из носе 0,15 мм . Как видно из приведенного примера, режимы обработки предельно высокие и получены исключительные результаты. Твердосплавная фреза, например, может обеспечить такую производительность только на скорости резания 340 м/мин, так как они изготавливаются, как правило, с двумя заходами. Но при попытке использовать эту фрезу на старом станке или на станке, который не может работать на соответствующих режимах резания, результаты могут быть удручающими. Необходимо также упомянуть, что червячные фрезы из суперлегированных сталей должны имеет геометрию, отличную от традиционной геометрии в части задних углов на вершине и боковых поверхностях зуба.

Одной из наиболее важных характеристик быстрорежущей стали является её твердость, которая обеспечивается соответствующей термической обработкой. Термическая обработка быстрорежущей стали всегда была достаточно сложным процессом, но появление порошковой стали предъявляет к этому процессу еще более высокие требования. Небольшое отклонение от заданной температуры или времени выдержки стали внутри закалочной печи может существенно изменить результат. Закалка может производиться в соляных или вакуумных печах. Современные порошковые стали закаливаются до твердости 65… 67 HRC. Сначала сталь нагревается до темпера туры 550*С за 10… 20 мин. Затем следует вторая стадия нагрева до 850*С градусов за 10… 20 мин. После этого сталь нагревается до температуры 1050*С и зачем до температуры аустенитизации (для данной стали 1150… 1210*С). Затем следует резкое охлаждение до 500*С градусов с последующим плавным охлаждением до комнатной температуры. На первой стадии отпуска материал нагревается до 550*С градусов примерно за два часа с последующим охлаждением до комнатной температуры. На второй стадии отпуска происходит нагрев примерно до 560*С в зависимости от выбранной твердости. Третья стадия отпуска предназначена для снятия напряжений и осуществляется до температуры 540*С.

В России порошковые стали имеют ограниченное применение. Производителей порошковых сталей в нашей стране нет. Возможно приобретение полуфабрикатов у мировых поставщиков, но в этом случае у большинства производителей червячных фрез возникают проблемы с термической обработкой стали — из-за отсутствия современного оборудования не выдерживаются режимы термической обработки и возникают закалочные дефекты. В последнее время появляются предприятия, готовые осуществлять термическую обработку порошковых сталей.

Сравним порошковые и обычные быстрорежущие стали по техническим параметрам, но стоимости и но эффективности применения. Как уже упоминалось выше, порошковые быстрорежущие стали находятся ближе к «идеальному» материалу — они одновременно имеют и более высокую твердость, и более высокую прочность.

Одновременное увеличение твердости и прочности позволяет одновременно увеличивать скорость резания и подачу. При применении стали группы G появляется возможность применения «сухой» обработки. Скорость резания для сталей этой группы по сравнению с обычной сталью увеличивается на 40% при сухой обработке и в 2 раза при обработке без СОЖ. Примерно такой же уровень скорости сохраняется для группы Н и суперлегированных сталей. Уровень подачи также выше.

В результате, применение порошковых быстрорежущих сталей обеспечивает существенное увеличение производительности. В таблице 3 показан рост производительности при переходе с обычной быстрорежущей стали на порошковую быстрорежущую сталь. В этой таблице порошковые стали (ASP2030, S390, Rex76, ASP2080, Rexl21) приведены в порядке возрастания цены.

Таким образом, применение самой дорогой порошковой стали обеспечивает 50% рост производительности. Отметим при этом, что применение стали группы G (например — S390) обеспечивает примерно такой же рост производительности, но стоимость её всего на несколько процентов выше стоимости обычной быстрорежущей стали.

Сегодня около 75 % червячных фрез в мире изготавливается из порошковой быстрорежущей стали, в основном группы G (S390). При незначительно более высокой стоимости по сравнению с обычной быстрорежущей сталью при этом обеспечивается увеличение производительности на 45… 50 %.

Применение порошковой быстрорежущей стати обеспечивает также существенный рост периода стойкости при зубофрезеровании. Если для стали М35 (Р6М5К5) средний период стойкости зуба фрезы составляет 3 метра, то для порошковых статей типа S390 этот показатель в полтора раза выше — около 4.5 метров.

Подводя итог рассмотрению быстро режущей стали в качестве инструментального материала для червячных фрез, отметим, что наиболее эффективным материалом сегодня являются порошковые быстрорежущие стали средней ценовой категории, обеспечивающие по сравнению с обычными быстрорежущими сталями (даже кобальтовыми) повышение режимов резания (скорости резания и подачи) при одновременном повышении периода стойкости.

Твердый сплав.

Под твердым сплавом понимают материал, полученный методом порошковой металлургии, состоящий, в основном, из твердых металлов и их карбидов и вязкого связующего материала. Основными карбидами являются карбид вольфрама (WC), карбид титана (TiC) и карбид тантала (ТаС). В качестве связки применяется кобальт.

По сравнению с быстрорежущей сталью твердый сплав обладает более высокой твердостью при более низкой изгибной прочности.

Обратим внимание, что свойства твердого сплава существенно меняются с изменением размера зерна. С уменьшением размера зерна твердый сплав смещается в направлении «идеального» материала — одновременно увеличивается его изгибная прочность и твердость. Размер зерна твердого сплава разделяется следующим образом: стандартное мелкое зерно (0.8… 1.3 мкм), мельчайшее зерно (0.5… 0.8 мкм), ультрамелкое зерно (0,4… 0,5 мкм) и супермелкое (наномелкое) зерно (0,2… 0,3 мкм).

Твердые сплавы обозначаются в соответствии с классификацией ИСО. Обозначение твердого сплава состоит из буквы, показывающей назначение твердого сплава, и цифры, отражающей уровень вязкости и прочности твердого сплава.

Применяются следующие буквенные обозначения:

Р — твердые сплавы, состоящие из карбидов вольфрама, титана, тантала и ниобия и кобальтовой связки, применяемые для обработки стальных материалов, в том числе в качестве инструментального материала для червячных фрез;

М — твердые сплавы, состоящие из карбидов вольфрама, титана, тантала и ниобия и кобальтовой связки, применяемые для обработки аустенитных нержавеющих стальных материалов;

К — твердые сплавы, состоящие из карбида вольфрама и кобальтовой связки, применяемые для обработки чугунов, а также в качестве инструментального материала для червячных фрез.

Число после буквенного обозначения увеличивается по мере увеличения прочности сплава и снижается по мере увеличения твердости.

Увеличение доли кобальта снижает твердость сплава и увеличивает его вязкость. Соответственно, с увеличением доли кобальта снижается способность противостоять абразивному износу. Увеличение доли карбида титана снижает вязкость сплава и, соответственно, его способность противостоять абразивному износу. Однако увеличение доли карбида титана увеличивает способность сплава противостоять луночному износу. Увеличение доли карбида тантала увеличивает сопротивляемость абразивному износу, не снижая сопротивляемости луночному износу. Кроме того, карбид тантала увеличивает сопротивляемость пластической деформации режущей кромки.

Доля червячных фрез из твердого сплава увеличилась за несколько прошедших лет. В первую очередь, червячные фрезы из твердою сплава применяются для чистовой обработки закаленных колес методом зачистного фрезерования. Однако все чаще твердосплавные фрезы используются для предварительном обработки зуба. По последним данным, доля червячных фрез из твердого сплава в мире составляет около 20 %.

В пользу применения твердого сплава в качестве инструментального материала для червячных фрез можно привести следующие аргументы:

• Сокращение времени резания за счет повышения скорости резания;
• Существенное улучшение качества обработанной поверхности;
• Хорошие возможности для применения сухой обработки благодаря высокой износостойкости при высоких температурах;
• Высокая прочность режущей кромки;
• В то же время существует целый ряд аргументов против применения твердого сплава;
• Существенно более высокая стоимость инструмента;
• Существенно более высокая стоимость восстановления инструмента;
• Большие сроки поставки инструмента (плохая доступность);
• Особые требования при обращении (чувствительность к ударам);
• Иногда низкая технологическая надежность;
• Необходимость обязательного нанесения износостойкого покрытия из-за опасности возникновения диффузионного износа, отсюда высокая стоимость восстановления инструмента, увеличение складского запаса и увеличения связанного капитала:

Различные характеристики различий групп твердого сплава обуславливают их различное применение в качестве инструментального материала для червячных фрез. Твердые сплавы на основ смешанных карбидов группы Р могут применяться для фрез со шлифованной передней поверхностью без нанесенного покрытия. Отсутствие луночного износа для этих сплавов позволяет работать ими только с покрытием, нанесенным на заднюю поверхность. В результате снижаются затраты на восстановление инструмента, уменьшается складской запас. Однако период стойкости инструмента без повторного покрытия, как правило, короче, чем период стойкости нового инструмента. При обработке червячными фрезами из сплавов группы К не происходит налипания стружки на поверхность фрезы.

Фрезы из твердого сплава группы К обязательно должны проходить процедуру покрытия при каждом цикле восстановления. Это удорожает применение фрезы в производстве. В то же время фрезы из сплава группы К обладают более высокой прочностью кромки, более высокой вязкостью и твердостью, что обеспечивает увеличение периода стойкости.

Существует еще одна особенность эксплуатации фрез из твердого сплава. Вследствие реакции инструментального материала с охлаждающим маслом в процессе работы фрезы или при переточке фрезы может произойти «вымывание» кобальта. В результате в твердом сплаве могут образоваться поры, которые впоследствии могут привести к выкрашиваниям. Это является одной из причин почему даже фрезы группы Р проходят процедуру нанесения износостойкого покрытия.

Ограниченное распространение имеют также червячные фрезы из безвольфрамового твердого сплава — кермета. Основу этого сплава составляет карбонитрид титана с добавками молибдена, вольфрама, тантала, ниобия и ванадия. Связка состоит из комбинации никеля и кобальта с добавками других металлов. По сравнению с твердыми сплавами на основе карбида вольфрама, керметы характеризуются немного более высокой твердостью и вязкостью, что обеспечивает более высокую стабильность кромки. Однако возможное незначительное повышение производительности компенсируется более высокими затратами на изготовление инструмента. В результате применение керметов в качестве материала для червячных фрез не является экономически оправданным.

---

Страницы:   1   2   3