Таблицы методов механической обработки

Методы механической обработки: сравнительный анализ

В современном машиностроении существует множество методов механической обработки материалов, каждый из которых имеет свои особенности, преимущества и ограничения. Выбор оптимального метода обработки является важнейшим фактором, определяющим качество изделия, производительность процесса и экономическую эффективность производства.

В данной статье представлен комплексный анализ наиболее распространенных методов механической обработки с точки зрения их технических возможностей, экономических показателей и сферы применения.

Таблицы методов механической обработки

⬆ К началу страницы ⬆ К началу страницы ⬆ К началу страницы ⬆ К началу страницы

Основное содержание

Классификация методов механической обработки

Методы механической обработки материалов можно классифицировать по различным признакам: по виду инструмента, по характеру образования стружки, по типу получаемой поверхности и по другим критериям. Наиболее распространенным является деление на лезвийную обработку (точение, фрезерование, сверление и др.) и абразивную обработку (шлифование, хонингование, доводка и др.).

Лезвийные методы обработки характеризуются использованием инструментов с определенной геометрией режущей части. Съем материала происходит за счет внедрения режущей кромки в поверхность заготовки и снятия слоя материала в виде стружки. К основным видам лезвийной обработки относятся:

• Точение – метод обработки, при котором главное движение (вращение) совершает заготовка, а вспомогательное (подача) – инструмент. Применяется для обработки наружных и внутренних цилиндрических, конических и фасонных поверхностей.
• Фрезерование – метод обработки, при котором главное движение (вращение) совершает многолезвийный инструмент (фреза), а вспомогательное (подача) – заготовка. Применяется для обработки плоскостей, пазов, уступов, фасонных поверхностей.
• Сверление – метод получения отверстий, при котором главное движение (вращение) и вспомогательное движение (подача) совершает инструмент (сверло).

Абразивная обработка основана на использовании абразивных инструментов, состоящих из множества режущих элементов (абразивных зерен), закрепленных в связке. К основным видам абразивной обработки относятся:

• Шлифование – метод обработки, при котором съем материала осуществляется множеством абразивных зерен, закрепленных в шлифовальном круге.
• Хонингование – метод финишной обработки отверстий абразивными брусками, совершающими возвратно-поступательное и вращательное движение.
• Суперфиниширование – метод отделочной обработки наружных поверхностей вращения мелкозернистыми абразивными брусками, совершающими колебательные движения.
• Доводка (притирка) – метод получения высокоточных поверхностей с помощью притиров с нанесенными абразивными зернами.

Отдельно выделяют методы физико-технической обработки, основанные на использовании различных физических и химических процессов:

• Электроэрозионная обработка – метод, основанный на разрушении материала электрическими разрядами.
• Ультразвуковая обработка – метод, использующий энергию ультразвуковых колебаний для разрушения материала.
• Лазерная обработка – метод, основанный на локальном тепловом воздействии лазерного луча на материал.

Точность и качество обработки

Выбор метода обработки во многом определяется требованиями к точности и качеству обрабатываемой поверхности. Как видно из Таблицы 1, различные методы обеспечивают различные степени точности размеров и качества поверхности.

Точность размеров принято характеризовать квалитетами (IT). Чем меньше номер квалитета, тем выше точность. Для достижения высокой точности (IT4-IT6) применяют методы финишной обработки: тонкое шлифование, хонингование, доводку. Эти методы обеспечивают отклонения размеров в пределах нескольких микрометров.

Качество поверхности характеризуется параметрами шероховатости, среди которых наиболее часто используется среднее арифметическое отклонение профиля (Ra). Минимальная шероховатость (Ra 0,008-0,02 мкм) достигается при доводке (притирке), что особенно важно для прецизионных деталей, работающих при повышенных скоростях и нагрузках.

Геометрическая точность определяет степень соответствия формы обработанной поверхности заданной форме (отклонения от круглости, цилиндричности, плоскостности и т.д.). Наибольшую геометрическую точность обеспечивают методы тонкого шлифования, суперфиниширования и доводки.

При выборе метода обработки необходимо также учитывать твердость обрабатываемого материала. Для обработки высокотвердых материалов (45-70 HRC) наиболее эффективны абразивные методы обработки (шлифование, хонингование, доводка) и некоторые физико-технические методы (электроэрозионная обработка).

Производительность и экономические аспекты

Производительность и экономические показатели методов обработки представлены в Таблице 2. Производительность определяется скоростью съема материала, которая максимальна при черновой лезвийной обработке (точение, фрезерование) и существенно ниже при финишных методах (суперфиниширование, доводка).

Важным экономическим показателем является стойкость инструмента – время работы инструмента до его затупления. Наименьшую стойкость имеют лезвийные инструменты (30-240 минут), а наибольшую – электроды при электроэрозионной обработке (1000-5000 минут).

Энергопотребление является важным эксплуатационным показателем и влияет на стоимость обработки. Наименьшим энергопотреблением характеризуются методы лезвийной обработки (0,5-1,3 кВт·ч/кг), а наибольшим – электроэрозионная обработка (3,0-8,0 кВт·ч/кг).

При выборе метода обработки необходимо учитывать не только технические, но и экономические факторы: стоимость оборудования, инструмента, затраты на оплату труда, энергию и др. Наиболее экономичными являются методы лезвийной обработки (точение, фрезерование), а наиболее затратными – методы финишной и физико-технической обработки (электроэрозионная обработка, суперфиниширование).

Особенности обработки различных материалов

Обрабатываемость различных материалов существенно различается и определяет выбор метода обработки. В Таблице 3 представлена оценка обрабатываемости различных материалов разными методами.

Конструкционные и инструментальные стали хорошо обрабатываются большинством методов. Для сталей с твердостью до 45 HRC эффективны методы лезвийной обработки (точение, фрезерование), для более твердых сталей – методы абразивной обработки (шлифование, хонингование).

Чугун хорошо обрабатывается точением и фрезерованием, но образует абразивную пыль, которая ускоряет износ инструмента.

Алюминиевые сплавы отлично обрабатываются лезвийными методами (точение, фрезерование, сверление) на высоких скоростях резания, но могут "налипать" на инструмент, что требует применения специальных СОЖ.

Титановые сплавы и жаропрочные сплавы характеризуются низкой теплопроводностью и высокой прочностью, что затрудняет их обработку. Для них рекомендуется использовать твердосплавный инструмент, пониженные скорости резания и обильное охлаждение.

Композиты (в т.ч. стеклопластики, углепластики) требуют специальных подходов к обработке из-за неоднородности структуры и абразивного воздействия армирующих волокон. Для них эффективны методы фрезерования и сверления с использованием специального инструмента.

Керамика плохо поддается лезвийной обработке из-за высокой твердости и хрупкости. Для ее обработки применяют методы шлифования, доводки, ультразвуковой обработки.

Технологические возможности и ограничения

Технологические возможности и ограничения различных методов обработки представлены в Таблице 4. При выборе метода обработки необходимо учитывать размеры и сложность формы детали, типы обрабатываемых поверхностей и другие факторы.

Точение применяется для обработки деталей типа тел вращения диаметром от нескольких миллиметров до нескольких метров. Основное ограничение – невозможность обработки внутренних поверхностей малого диаметра и большой глубины.

Фрезерование позволяет обрабатывать детали сложной формы и является одним из наиболее универсальных методов. Современные многоосевые фрезерные станки с ЧПУ обеспечивают обработку поверхностей практически любой сложности.

Шлифование применяется для обработки плоских и цилиндрических поверхностей с высокой точностью. Ограничениями являются сложность обработки фасонных поверхностей и внутренних поверхностей малого диаметра.

Электроэрозионная обработка позволяет обрабатывать детали сложной формы из токопроводящих материалов любой твердости. Основное ограничение – невысокая производительность и высокая стоимость оборудования.

Большинство методов механической обработки требуют применения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), что влияет на экологические аспекты производства. Наибольшую экологическую нагрузку создают шлифование (образование шлифовальной пыли и отходов СОЖ) и электроэрозионная обработка (отходы диэлектрической жидкости).

Современные тенденции в методах обработки

Развитие методов механической обработки направлено на повышение производительности, точности и снижение затрат. Основные современные тенденции включают:

1. Высокоскоростная обработка (HSM) – метод обработки на скоростях, в 5-10 раз превышающих традиционные. Это позволяет повысить производительность, точность и качество поверхности за счет уменьшения сил резания и тепловых деформаций.
2. Сухая обработка – обработка без применения СОЖ или с минимальным количеством смазки (MQL). Это снижает экологическую нагрузку и затраты на СОЖ.
3. Твердое точение – точение закаленных сталей (45-62 HRC) режущей керамикой или кубическим нитридом бора. Это позволяет заменить шлифование точением, что повышает производительность и снижает затраты.
4. Многоосевая обработка – обработка на станках с 5 и более осями, что позволяет обрабатывать детали сложной формы за один установ.
5. Гибридные методы обработки – комбинирование разных методов обработки (например, лазерно-механическая обработка), что позволяет сочетать их преимущества.

Внедрение цифровых технологий и концепции "Индустрия 4.0" также оказывает существенное влияние на методы механической обработки. Современные станки с ЧПУ оснащаются системами мониторинга состояния инструмента, адаптивного управления режимами резания, что позволяет оптимизировать процесс обработки и повысить его эффективность.

Заключение

Выбор оптимального метода механической обработки является многокритериальной задачей, требующей учета большого числа факторов: требований к точности и качеству поверхности, производительности, экономических показателей, обрабатываемости материала, технологических возможностей и ограничений.

Для достижения наилучших результатов часто применяют комбинации методов обработки: черновые операции выполняют лезвийными методами (точение, фрезерование), а финишные – абразивными (шлифование, хонингование, доводка).

Развитие технологий механической обработки направлено на повышение производительности, точности и экономической эффективности при одновременном снижении экологической нагрузки. Внедрение цифровых технологий, новых инструментальных материалов и прогрессивных методов обработки позволяет решать все более сложные технологические задачи.