3.6. Технология обработки на шлифовальных и отделочных станках

3.6.1. Шлифование

Шлифованию подвергают детали из материалов, которые экономически не целесообразно или невозможно обрабатывать лезвийным инструментом (стали после закаливания или химико-термической обработки, никелевые суперсплавы, тугоплавкие металлы и сплавы, керамики, твердые сплавы и др.).

При обработке шлифованием режущим инструментом служат абразивные круги или ленты. Шлифовальные круги представляют собой композицию абра­зивных зерен, соединенных друг с другом связкой. Типовые формы кругов оп­ределены стандартом в зависимости от вида выполняемых работ (табл. 3.18). Круги других (специальных) форм могут быть получены правкой кругов стан­дартных типов.

Круги из сверхтвердых материалов (алмаз, кубический нитрид бора), кото­рые невыгодно подвергать правке, могут быть большой номенклатуры форм и размеров (табл. 3.19).

Режущие свойства шлифовальных кругов и качество обработанных поверх­ностей зависят от множества факторов:

• типа абразивного материала;

• зернистости;

• вида и свойств связки;

• концентрации абразивного материала в круге;

• структуры круга;

• твердости круга.

В качестве абразивной составляющей кругов используют шлифовальные зерна, имеющие зернистость от 200 (2000 мкм) до 16 (160 мкм), и порошки зер­нистостью от 12 (120 мкм) до 4 (40 мкм), микропорошки и тонкие микропорош­ки размером от 63 до 1 мкм (обозначают М63...М1).

Применяют в основном искусственные абразивные материалы (электроко­рунд, карбид кремния, борсиликарбид, кубический нитрид бора, синтетический алмаз), реже другие твердые и сверхтвердые вещества.

Таблица 3.19

Электрокорунд — искусственный абразивный материал, в состав которого входят оксид алюминия (Аl₂0₃) в виде α-фазы (корунда), а также оксиды крем­ния, титана, кальция и железа. Получают плавкой глиноземсодержащего сырья в дуговых печах с последующей кристаллизацией расплава. После размола кусков выполняют сепарацию зерен разного размера. В зависимости от содержания глинозема и особенностей технологии плавки различают несколько разновидно­стей электрокорунда.

• Нормальный электрокорунд марок 12А, 13А, 14А, 15А, 16А, состоит из корунда (до 95 %) с небольшой примесью шлаков и ферросплава.

• Белый электрокорунд марок 22А, 23А, 24А, 25А (получают путем пере­плава чистого оксида алюминия), содержит 98...99 % корунда и сравнительно мало примесей. По свойствам и химическому составу белый электрокорунд бо­лее однороден, чем нормальный, микротвердость его несколько выше.

• Легированный электрокорунд: хромистый (32А, ЗЗА, 34А), титанистый (37А), циркониевый (68А) — имеет свойства, зависящие от состава и содержа­ния примесных элементов.

• Монокорунд (43А, 44А, 45А), состоит из плоскогранных изометричных зерен монокристаллического корунда с небольшим (2...3 %) содержанием при­месей.

• Сферокорунд (получают из глинозема в виде полых корундовых сфер), содержит небольшое (менее 1 %) количество примесей.

• Керамический оксид алюминия (CeramicAluminiumOxide) — новейшее достижение в производстве абразивов из Аl₂0₃, представляет собой зерна высо­кой химической чистоты, изготовленные в процессе гель-спекания. Данный аб­разив исключительно прочен и тверд.

Электрокорундовые зерна, порошки и микропорошки составляют около SO% общего объема производства абразивных материалов.

Карбид кремния (SiC) получают из смеси чистого белого кварцевого песка с нефтяным коксом с добавками древесных опилок и соли отжигом в электропе­чах. Кремний восстанавливается и соединяется с углеродом, образуя карбид кремния в виде массы сросшихся кристаллов (цветом от зеленого до черного) пластинчатой гексагональной структуры. Как и электрокорунд, полученные кус­ки размалывают и сепарируют на фракции разных размеров. Карбид кремния более твердый и хрупкий, чем электрокорунд. Различают карбид кремния чер­ный и зеленый. Черный карбид кремния марок 53С и 54С содержит 96...99 % SiC. Зеленый карбид кремния марки 64С имеет более высокую химическую чис­тоту.

Природные и синтетические алмазы. Для производства шлифовальных кру­гов используют два типа алмазов: натуральные в форме монокристаллов и ис­кусственные (синтетические) монокристаллические и поликристаллические. Природные алмазы обозначают буквой А, синтетические АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС, АСБ, АСПК и др.

Кубический нитрид бора (КНБ) — второй по твердости после алмаза мате­риал. Его твердость в 2,5 раза выше, чем у электрокорунда. КНБ синтезируют из гексагонального нитрида бора при условиях, схожих с синтезом алмаза из гра­фита. По сравнению с традиционными абразивами, такими как карбид кремния и электрокорунд, КНБ обладает значительно более высокими абразивными свойствами, что связано с остротой его кромок (рис. 3.119). Он не утрачивает своих режущих свойств при высоких температурах (до 1300 °С) и химическом воздействии.

Одним из эффективных методов повышения износостойкости и производи­тельности алмазного инструмента является металлизация сверхтвердых материалов, целесообразность ее доказана отечественной и зарубежной практикой. Заключая алмазные зерна в металлическую оболочку и заполняямикротрещинн. увеличивают прочность зерен, что приводит к повышению стойкости инстру­мента. Прочность алмазных зерен, покрытых никелем, вырастает на 22 %.

Степень металлизации зерен варьируется от 40 до 100 % в зависимости от условий работы круга и вида шлифования. Степень металлизации 100 % соот­ветствует тому, что масса нанесенного на единичное зерно алмаза или КНБ никеля равна массе этого зерна.

Для создания абразивных кругов используют связки: керамические, органи­ческие, силикатовые, металлические и др.

Керамические связки. Более 75 % выпускаемых шлифовальных кругов име­ют керамические связки. В состав этих связок в различных пропорциях входят огнеупорная глина, каолин, полевой шпат, кварц, тальк и др. Керамические связки обеспечивают кругам определенную пористость, необходимую для улучшения условий охлаждения и отвода стружки. Для получения специальных высокопористых кругов используют порообразующие наполнители, например марки КФ. Размер частиц наполнителя (пор) составляет 1000, 800, 400, 250, 160, 100 мкм и указывается после марки наполнителя, например КФ80 (800 мкм). Керамические связки устойчивы при высоких температурах и химически стойки к воздействию различных СОЖ.

Керамические связки К5, К20, К12, К15 служат для изготовления инстру­мента из белого и нормального электрокорунда при скорости шлифования 35...50 м/с, К43 — высокоскоростных (до 60 м/с) кругов из электрокорунда, КЗ — инструментов из карбида кремния с рабочими скоростями до 35, а К10 — до 50 м/с. При производстве алмазных и эльборовых кругов применяют керами­ческие связки (Kl, К16, СЮ, СК и др.).

Основными недостатками керамических связок являются их высокая хруп­кость и низкая прочность на изгиб, ограничивающие скорость вращения шлифо­вального круга.

Органические связки (на основе органических смол) отличаются по механи­ческой прочности, твердости и термостойкости. Они используются для изготов­ления кругов, применяемых на различных операциях шлифования. Круги на ор­ганических связках менее пористы, чем на керамических. При производстве шлифовальных кругов используют бакелитовые (Б, Б1, Б2, БУ и др.), вулканито-вые (В, В1, В2, ВЗ), глифталевые (ГФ), эпоксидные (Э), поливинилформалевые(ПФ) органические связки.

Для алмазных и эльборовых кругов применяют органические связки (Б1, Б2, БЗ, Б4, Б8, БШ) на основе фенолоформальдегидных смол с наполнителями в ви­де карбида бора, талька, резиновой муки и др.

Металлические связки (М5, М52, МСЗ, М04, МП2, ОМКЗ) представляют собой композиции на основе меди, олова, железа, алюминия, никеля и других металлов с наполнителем из электрокорунда, карбида бора, кремния и т. п.

Одной из основных характеристик шлифовальных кругов является твер­дость. Она зависит от вида связки, соотношения объема связки и абразивных частиц, пористости и других факторов. Твердость круга определяет сопротивле­ние выкрашиванию зерен под действием сил резания.

Абразивные зерна по мере их затупления должны обновляться путем скалы­вания и выкрашивания частиц. При слишком высокой твердости круга связка продолжает удерживать затупившиеся и потерявшие режущую способность зер­на. В результате увеличиваются силы резания и тепловыделение, на поверхности появляются следы дробления, риски, прижоги и прочие дефекты. Если круг из­лишне мягок, еще не утратившие свою режущую способность зерна выкраши­ваются, круг теряет правильную форму, увеличивается его износ, необходима более частая правка.

Измерение твердости кругов производится различными методами, назна­чаемыми в зависимости от вида связки и зернистости. В частности, по размеру лунки, образующейся на поверхности круга под действием струи кварцевого песка, вдавливанием стального шарика, по числу оборотов сверла, необходимо­го для высверливания в теле круга отверстия определенной глубины при задан­ной осевой нагрузке на сверло.

Классы твердости шлифовальных кругов приведены в табл. 3.20.

Таблица 3.20

	Классы твердости	Весьма мягкие и мягкие	Средне- мягкие	Средние	Средне-твердые и твер­дые	Весьма твердые	Чрезвы­чайно твердые
	Обозначение по стандартам России	ВМ1, ВМ2, М, М1,М2	МЗ,СМ1 СМ2	С1,С2, СТ1	СТ2, СТЗ,Т1	Т2, ВТ	ЧТ
	Обозначение по стандартам ISO	F, G,Н, I	J, K,L	М, N,0	Р, Q,R	S...W	X...Z

Структура круга. Структура круга определяется отношением объема абра­зивных зерен в теле инструмента к объему материала связки и свободных пор. Она обозначается числами от 0 до 12. Структуры 3, 4 называют закрытыми, структуры 5,6 — средними, 7, 8 — полуоткрытыми, 9-12 — открытыми. Име­ется дополнительная группа структур 13-18, соответствующая высокопористым кругам.

На выбор структуры инструмента влияют:

• физико-механические свойства обрабатываемого материала (мягкие мате­риалы с небольшим сопротивлением разрыву обрабатывают кругами открытых структур, твердые с мелкозернистым строением и хрупкие — кругами закрытых структур);

• качество поверхностного слоя. Для чистовой обработки следует использо­вать круги более закрытых структур, чем для предварительной или грубой. Для черновых операций со значительным припуском рекомендуется использовать круги открытых структур.

Объемное содержание абразивных зерен в кругах с различной структу­рой приведено в табл. 3.21.

Т аблица 3.21

На поверхности кругов наносится маркировка. По маркировке определяют форму круга, габаритные размеры и его характеристику (вид абразивного мате­риала, связку, твердость и др.).

Расшифровки некоторых маркировок кругов из традиционных абразивов и сверхтвердых материалов приведены в табл. 3.22.

Таблица 3.21

Из сверхтвердых материалов (суперабразивов) в основном изготавливают шлифовальные круги с концентрацией алмаза или КНБ, равной 75 %, что соот­ветствует их содержанию в алмазоносном слое 3,3 карат/см³, или 100 % — 4,4 карат/см³.

При маркировании на инструменте указывают также предельно допустимую рабочую скорость круга, класс точности (АА, А, Б), класс неуравновешенности (1-4) и стандарт (ГОСТ, ОСТ, ТУ), по которому он изготовлен.

Возможности абразивных инструментов, как из традиционных, так и сверх­твердых материалов далеко не исчерпаны, и работы в этой области приводят к новым, более высоким результатам. Например, шире применяют керамические (минералокерамические) абразивы, получаемые спеканием или реакционным спеканием дисперсных порошков SiC, А1₂0₃, Si₃N₄ и других (керамические абра­зивы типа Cubitron и Seeded-Gel). Они значительно превосходят по прочности,твердости, износостойкости и остроте граней традиционные абразивные мате­риалы. В настоящее время используют круги с разным содержанием корундовых и керамических зерен. Технология производства керамических абразивов допускает управление формой зерен и их размерами. Ведутся разработки шлифоваль­ных кругов с заданной ориентацией кромок абразивных зерен, что позволит дос­тигнуть максимальной эффективности шлифования.

Круглое шлифование. При круглом наружном шлифовании поверхностей используется несколько основных (базовых) схем обработки:

а) шлифование с продольной подачей;

б) шлифование с поперечной подачей круга;

в) бесцентровое шлифование с продольной подачей;

г) бесцентровое шлифование с поперечной подачей.

При шлифовании с продольной подачей (рис. 3.120, а) вращающаяся заго­товка совершает возвратно-поступательное движение S_np. Поперечная подача S_поп — прерывистая, совершается в конце каждого хода. Продольная подача на­значается в долях от ширины круга В_кна оборот заготовки. При черновой обра­ботке S_пp = (0,5...0,8)В_к, а при чистовой S_пр = (0,2...0,5)В_К. Поперечная подача обычно не превышает 0,005...0,02 мм/ход. При достижении требуемого размера производится выхаживание, т. е. шлифование без поперечной подачи, позво­ляющее снизить волнистость и шероховатость поверхности.

При шлифовании с поперечной подачей (его называют также врезным шли­фованием) используется только поперечная подача круга (рис. 3.120, б), которая прекращается при достижении заданного размера. Такая обработка целесообраз­на для коротких деталей и деталей сложной формы. В последнем случае шлифо­вание ведут профильными кругами.

Н а рис. 3.121 показаны примеры обработки деталей разной формы и размеров.

Круглошлифовальные станки с ЧПУ позволяют кругами простой формы об­рабатывать фасонные элементы поверхностей. Для увеличения эффективностиобработки могут использоваться специальные циклы (рис. 3.122), сочетающие врезное шлифование и шлифование с продольной подачей.

Цилиндрическое шлифование применяют для обработки торцов лопаток со­бранного ротора компрессора (рис. 3.123). Для этих целей используют, в частно­сти, станки DANTIPR3 фирмы DANOBAT.

DANTIPR3 позволяет обрабатывать лопатки роторов диаметром до 500 и длиной до 2540 мм. Мощный привод (78 кВт) раскручивает ротор от 100 до 4000 об/мин. Обычно обработка производится при скорости ротора 3000 об/мин. Допуск по диаметру 0,025 мм. Шлифовальная головка с приводом мощностью 11 кВт имеет возможность поворота для шлифования лопаток с различными уг­лами, а также оснащена правящим алмазным диском и абразивной щеткой с электроприводом для снятия заусенцев на лопатках после шлифования. Система ЧПУ поддерживает постоянную окружную скорость шлифовального круга.

Измерительная система, которой оснащен станок, позволяет контролировать размер ротора как в процессе обработки, так и после ее окончания.

Современные шлифовальные станки с ЧПУ, имеющие программный пово­рот заготовки (координата С), позволяют помимо цилиндрических и конических обрабатывать поверхности сложной формы (рис. 3.124).

При бесцентровом шлифовании (рис. 3.125) заготовка 2 устанавливается между двумя шлифовальными кругами. Она не закрепляется, а помещается наспециальную линейку (опору) 4. Круг 1 большего диаметра является шлифу­ющим, а круг 3 меньшего диаметра — ведущим. Ведущий круг приводит заго­товку во вращение. Если он повернут относительно круга 1, то сообщает заго­товке продольную подачу. Продольная подача определяется выражением

где μ — коэффициент проскальзывания изделия по ведущему кругу, μ = 0,97...0,99; a — угол наклона ведущего круга, назначается в пределах 1...4,5° в зависимости от вида операции (чистовая, черновая) и условий обработки.

Ось заготовки при шлифовании находится несколько выше линии центров кругов. Шлифовальный круг вращается со скоростью, обычной для круглого шлифования, а ведущий круг — со скоростью, примерно равной скорости изделия при круглом шлифовании. Поскольку сила резания при шлифовании уменьшается с увеличением скорости, сцепление с заготовкой ведущего круга значительно больше, чем с шлифующим кругом. Ведущий круг имеет вулканитовую связку, что дополнительно увеличивает трение между ним и изделием. При бесцентро­вом шлифовании обычно используют широкие круги (150...200 мм и более).

В настоящее время разработаны станки бесцентрового шлифования, оснащенные устройствами ЧПУ, которые позволяют эф­фективно использовать эту технологию в условиях серийного производства. Они работают по схеме, показанной на рис. 3.126, и оснащена дополнительными опорными роликами. Рис. 3.127 иллюстрирует бесцентровое шли­фование отдельных элементов деталей.

Внутреннее шлифование обеспечивает "работку цилиндрических, конических и фасонных глухих и сквозных отверстий с точностью 6-9-й квалитет при шероховато­сти Ra = 1,25...0,15 мкм. Шлифовальный круг выбирают в зависимости от размеров обрабатываемого отверстия в пределах 0.6...0,95 диаметра (последнее значение — для отверстий малого диаметра). Современ­ные станки позволяют шлифовать отверстия диаметром 5 мм. Базовые схемы шлифования приведены на рис. 3.128.

Наиболее распространено внутреннее шлифование при вращении детали. Оно может производиться с продольной (рис. 3.128, а) и поперечной подачей (рис. 3.128, б). На рис. 3.129 показана рабочая зона внутришлифовального станка.

Скорость резания при шлифовании назначается в зависимости от свойств обрабатываемого материала в пределах 25... 100 м/мин. Продольная подача за-

дается в долях от ширины круга В_k. При чистовом шлифовании S_np= (0,2.. .0,3)В_К, а при черновом S_пp = (0,6.. .0,8)В_к. Поперечная подача круга при чистовом шлифовании составляет 0,003...0,015, а при черновом 0,05...0,075 мм/двойной ход стола. На рис. 3.130 приведены схемы обработки шлифованием различных элементов отверстий.

Отверстия в крупногабаритных деталях, вращение которых сложно обеспе­чить, шлифуют на горизонтальных и вертикальных станках с планетарным дви­жением шлифовального круга (рис. 3.131, а). Шпиндель с шлифовальным кру­гом имеет четыре рабочих движения: вращение круга (движение резания); пла­нетарное движение по окружности внутренней поверхности детали, неподвижно закрепленной на станке; возвратно-поступательное движение вдоль оси детали: поперечную (радиальную) подачу.

Бесцентровое шлифование отверстий (рис. 3.131, б) производится на вра­щающихся незакрепленных деталях. Деталь, предварительно шлифованная понаружной поверхности, направляется и поддерживается тремя роликами. Ролик 1 большого диаметра является ведущим. Он вращает деталь 2 относительно шли­фовального круга 3. Верхний ролик 5 прижимает деталь к ведущему 1 и под­держивающему 4 роликам. Для деталей диаметром менее 30 мм опорный ролик 4 заменяется ножом.

Современные шлифовальные станки для внутреннего шлифования оснаща­ют устройствами ЧПУ, что позволяет одним кругом выполнять обработку не­скольких поверхностей, включая торцы (рис. 3.132).

Станки CERES 330 фирмы SCHAUDTMIKROSABWF предназначены для внутреннего и наружного шлифования небольших и средних по размерам деталей. Они оснащаются одним (рис. 3.133, а) или двумя (рис. 3.133, б) шпинделями.

Станок CERES 320, компоновка которого показана на рис. 3.134, применяют для внутреннего, наружного и торцового шлифования в автоматическом режи­ме. На нем предусмотрено устройство для правки кругов, например по схеме, показанной на рис. 3.135.

Универсальные шлифовальные станки с ЧПУ оснащают несколькими шпинделями, что позволяет шлифовать наружные поверхности деталей отдель­но или совместно с обработкой поверхностей отверстий. На рис. 3.136 показаны схемы обработки элементов вала ГТД и зубчатого колеса.

Шлифование широко применяется и для обработки плоских поверхностей. Существует два основных метода плоского шлифования: периферией и торцом шлифовального круга.

Шлифование периферией круга выполняют по различным базовым схемам. Оно может осуществляться с поперечной подачей круга (рис. 3.137, а). Эта схема обычно используется для обработки плоских открытых и полуоткрытых поверхно­стей. Поперечная подача 5_П0П сообщается столу станка прерывисто, после каждого его хода в продольном направлении. Радиальная подача 5_Р производится периоди­чески, после каждого прохода круга. При обработке пазов и сложнопрофильных поверхностей профилированными кругами используют шлифование с одной ради­альной подачей (врезное плоское шлифование). Шлифование периферией круга может производиться на станках карусельного типа (рис. 3.137, б). Эта схема обра­ботки используется для шлифования сравнительно мелких или кольцевых деталей.

Плоское шлифование торцом круга (рис. 3.138) получило распространение при обработке поверхностей крупногабаритных деталей, особенно черновое. Припуск при черновом шлифовании дается несколько меньше, чем при фрезеро­вании и строгании. При этом применяют круги больших диаметров, состоящие из отдельных брусков или сегментов, закрепленных на металлическом диске. При работе такими кругами создаются более благоприятные условия процесса шлифования, уменьшается выделение тепла, улучшается удаление образующих­ся пыли и мелкой стружки, повышается безопасность работы и др. Однако такие круги требуют тщательной балансировки. Черновое шлифование производится крупнозернистыми абразивными кругами со скоростью 60 м/с, чистовое шлифо­вание плоскостей — преимущественно цельными мелкозернистыми кругами. При шлифовании торцовой частью применяют круги чашечной или тарельчатой

формы. Шлифование торцом круга — более производительный метод обработки плоскостей, чем шлифование периферией, но менее точный.

При чистовом шлифовании достигается высокая точность обработки (6-й квалитет) и шероховатость поверхности Ra= 0,63...0,15 мкм.

Выбор шлифовального круга и технологических режимов обработки. Выбор осуществляется с учетом следующих факторов:

• физических (теплоемкость, теплопроводность, коэффициент термического расширения) и физико-механических (прочность, вязкость, твердость) свойств дорабатываемого материала;

• химического сродства материалов абразивных зерен и обрабатываемой за­готовки; если эти материалы склонны к образованию химических соединений с заочными связями, наблюдается, в зависимости от твердости круга, повышен­ный износ абразивных зерен или интенсивное разрушение круга;

• размера детали и формы шлифуемой поверхности;

• вида операции обработки шлифованием (предварительное, черновое, чис­товое, тонкое) и требуемого качества поверхностного слоя;

• типа, мощности и состояния станка, на котором производится операция шлифования.

Абразивные инструменты из нормального электрокорунда рекомендуется «пользовать при обработке сталей. Белый и легированный электрокорунд при­меняют для шлифования закаленных, быстрорежущих и нержавеющих сталей, цементированных и азотированных поверхностей. Монокорунд целесообразно использовать для труднообрабатываемых жаропрочных и легированных сталей я сплавов, а сферокорунд — мягких и вязких материалов, в частности цветных металлов. Керамический оксид алюминия применяют главным образом для прецизионного шлифования труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Черным карбидом кремния марок 53С и 54С шлифуют детали из чугуна, цветных металлов, твердых сплавов.

Зеленый карбид кремния марки 64С используют для обработки деталей из чугуна, цветных металлов, твердых сплавов, титановых сплавов, азотированных сталей.

Алмазные круги служат для обработки хрупких и твердых материалов (твердых сплавов, чугунов, металло- и минералокерамик).

КНБ — для шлифования твердых сплавов, сплавов на никелевой основе и керамик, плохо обрабатываемых кругами из других абразивов.

Тип связки выбирают исходя из рабочей скорости круга, вида шлифования, требуемой точности обработки и материала. Наиболее часто используют кера­мические связки, выбор которых производится с учетом материала абразивных зерен и скорости вращения шлифовального круга.

Бакелитовая связка применяется для кругов, работающих при высоких ско­ростях резания. Ее недостатком является низкая химическая стойкость к щелоч­ным растворам, входящим в состав СОЖ. Бакелитовым инструментом произво­дится черновое шлифование разных материалов (плоское наружное шлифование, торцом и периферией круга). Вулканитовые и глифталевые связки облада­ют эластичностью, что обеспечивает снижение шероховатости обработанных по­верхностей.

Шлифование твердых сталей выполняют мягкими кругами, поскольку быст­ро затупляющиеся зерна легче вырываются из связки. При шлифовании мягких сталей применяют твердые круги, обладающие большей стойкостью.

Для обработки мягких материалов (бронза, латунь) рекомендуется назначать очень мягкие круги, так как твердые быстро забиваются стружкой.

Для фасонных поверхностей, когда требуется обеспечить условия длитель­ного сохранения формы круга, используют более твердые круги, чем рекомен­дуется для данного материала.

Шлифование прерывистых поверхностей следует производить более твер­дыми кругами плотной структуры, так как прерывистость поверхности способ­ствует повышению износа инструмента.

При выборе твердости круга учитывается площадь контакта круга с деталью: чем она больше, тем мягче должен быть круг и меньше плотность структуры.

Для обработки деталей, имеющих большую массу, хорошо отводящую выде­ляющееся при шлифовании тепло, применяют более твердые круги. Тонкостен­ные изделия обрабатывают мягкими кругами с открытыми структурами. При большой площади соприкосновения шлифовального круга с изделием требуются мягкие круги, так как удельные давления малы для обновления поверхности кру­га, при малой площади контакта — наоборот. Если для круглого шлифования, когда поверхность контакта незначительна, а удельные давления между обраба­тываемой деталью и кругом велики, необходим, например, круг степени твердо­сти C1, С2, то для внутреннего шлифования применяют круг с твердостью СМ1,СМ2.

Если черновое и чистовое шлифование выполняют за одну операцию, ме­няют технологические режимы обработки (глубину резания, подачу) и исполь­зуют выхаживание заготовки. При этом необходимы среднезернистые круги средней твердости.

Шлифовальные станки с высокой жесткостью обеспечивают работу без вибраций и равномерную нагрузку на режущие зерна. Для работы на жестком станке можно применять более твердые круги, чем при работе на станках с по­ниженной жесткостью. При большой мощности станка можно применять интен­сивные и производительные режимы шлифования и во избежание большого из­носа использовать более твердые абразивные инструменты. Способ и рабочее давление подачи СОЖ существенно влияет на процесс шлифования. Охлажде­ние способствует снижению нагрева обрабатываемого изделия, уменьшению засаливания рабочей поверхности круга, улучшает условия удаления стружки. Чем выше эффективность системы охлаждения, тем более твердым может быть шлифовальный круг.

Привод станка и диаметр круга определяют достигаемую скорость резания. С повышением окружной скорости круга увеличивается число абразивных зерен.участвующих в процессе шлифования в единицу времени, и, следовательно, уменьшается сечение стружки и значение нагрузки, приходящейся на одно зер­но. По этой причине абразивные зерна изнашиваются меньше и появляется воз­можность использования более мягких кругов.

В табл. 3.23 приведены рекомендации по выбору твердости круга в зависи­мости от вида обработки.

При выборе инструмента для абразивной обработки существенное значение имеет его зернистость. Зернистость кругов выбирается (табл. 3.24) в зависимо­сти от требований, предъявляемых к чистоте (шероховатости) обрабатываемой поверхности.

Таблица 3.23

Твердость круга		Вид обработки
ВТ1...ЧТ2		Правка абразивных инструментов; чистовое и тонкое высокоточ­ное шлифование мелкозернистыми кругами
СТ2...Т2		Отрезка абразивными дисками; прорезка канавок; круглое наружное шлифование методом врезания при необходимости сохранения профиля круга; бесцентровое шлифование (ведущие круги)
С2...СТ2		Черновое круглое наружное и бесцентровое шлифование незакаленных сталей кругами на бакелитовой связке
С1...СП		Плоское шлифование сегментами и кольцевыми кругами на бакелитовой связке
С2...СТ2		Резьбошлифование кругами на бакелитовой связке; профильное шлифование; обработка прерывистых поверхностей
СМ1...С2		Чистовое и комбинированное круглое, наружное, бесцентровое и внутреннее шлифование сталей; плоское шлифование периферией круга; резьбошлифование винтов с крупным шагом
С1..С2 ..С2		Заточка режущих инструментов
СМ1...СМ2 ..СМ2		Заточка режущих инструментов
М2...СМ2 .СМ2		Плоское шлифование торцом круга
М2,МЗ		Заточка и доводка режущего инструмента, оснащенного твердым сплавом; шлифование труднообрабатываемых специальных сплавов
ВМ1,ВМ2		Глубинное шлифование деталей из вязких высокопрочных материалов

Таблица 3.24

Зернистость	Шероховатость обработанной поверхности Ra, мкм
250/200... 100/80	0,32...0,63
80/63... 50/40	0,16...0,32
28/20... 10/7	0,04...0,16

Крупнозернистые инструменты применяют:

• на предварительных операциях с большой глубиной резания, когда удаляются большие припуски;

• на станках большой мощности и жесткости;

• при обработке материалов, вызывающих заполнение пор круга и засаливание его поверхности, например латуни, меди, алюминия;

• при большой площади контакта круга с обрабатываемой деталью, на­пример при плоском шлифовании торцом круга и внутреннем шлифовании.

Средне- и мелкозернистые инструменты используют:

• для получения шероховатости Ra= 0,32...0,03 мкм;

• при обработке твердых материалов (закаленных сталей, твердых сплавов):

• для обеспечения высоких требований по точности профиля детали.

С уменьшением размера абразивных зерен возрастает их число на единице рабочей поверхности круга, что уменьшает нагрузку на единичное зерно. Одно­временно уменьшается размер пор круга, что требует снижения глубины шли­фования. Чем мельче абразивные зерна в инструменте, тем меньше съем мате­риала в единицу времени.

Рекомендации по выбору структуры абразивного инструмента приведены в табл. 3.25.

Материалы, имеющие низкую теплопроводность, склонны к образованию прижогов, и их обработку проводят пористыми кругами, обеспечивающими лучшие условия подвода СОЖ.

Таблица 3.25

Номер структуры	Вид обработки
3,4	Фасонное шлифование при необходимости сохранения профиля круга, шлифование при больших, а также переменных нагрузках
5,6	Круглое наружное шлифование, бесцентровое шлифование, плоское шлифование периферией круга, заточка инструмента, отрезка
7...9	Плоское шлифование торцом круга, внутреннее шлифование
8...10	Шлифование и заточка инструментов
8...12	Резьбошлифование мелкозернистыми кругами

В табл. 3.26 и 3.27 приведены рекомендации по выбору кругов из сверх­твердых материалов.

Назначение режимов обработки шлифованием выполняется по нормативным материалам исходя из вида и состояния обрабатываемого материалы, абразивного круга, применяемой СОЖ и др. Расчетные зависимости режимов шлифования практически не используются. В табл. 3.28 приведены некоторые рекомендуемые параметры режимов при шлифовании титановых и никелевых сплавов кругами из КНБ.

Таблица 3.26

Марка КНБ (характе­ристика материала)		Связка		Применение
ЛКВЗО (материал сред­ней прочности) ЛКВ40 (материал вы­сокой прочности) ЛКВ50 (материал очень высокой прочности) ЛКВЗОМ, ЛКВ40М, ЛКВ50М (материал с металлическим — ни­келевым — покрытием) ЛМ (микропорошки)		Керамическая Керамическая Керамическая Органическая Керамическая, органическая		Чистовое шлифование закаленных легиро­ванных сталей, подшипниковых сталей Высокопроизводительное шлифование закаленных легированных сталей, под­шипниковых сталей, хонингование Высокопроизводительное и глубинное шлифование закаленных и легированных сталей, подшипниковых сталей, специальных сталей Заточка твердосплавного режущего инструмента Чистовое шлифование, полирование
Таблица 3.27
Марка алмаза (характе­ристика материала)		Связка		Применение
АС4, АС6 (материал средней прочности) АС 15, АС20, АС32 (материал высокой прочности) АС4М,АС6М,АС15М, АС20М, АС32М (матери­ал с металлическим — никелевым — покрытием) АСМ (микропорошки)		Металлическая, керамическая Металлическая, керамическая Органическая		Шлифование твердых сплавов, керамик, стекла, чугуна Высокопроизводительное шлифование твердого сплава, керамик Заточка режущего инструмента из твер­дых сплавов, глубинная заточка, вышлифовка стружечных канавок
		Металлическая, органическая, керамическая			Чистовое шлифование
						Таблица 3.28
Обрабатываемый материал	Марка круга		Режим шлифования				Шероховатость поверхности, Ra, мкм
			Скорость резания, м/с		Подача, мм/об	Глубина резания, мм
Титановый сплав ВТ22	ЛКВ50 В126С100 М К10КФ40		35		0,5	0,1...0,2	<2,5
			35		1,0...1,5	0,06...0,1	<2,5
Жаростойкий Никелевыйсплав	ЛКВ50 В126С100 МК10КФ16		35		0,5.. 1,5	0,06...0,1	< 1,25

Шлифование абразивными лентами является технологичным и гибким спо­собом обработки деталей со сложной криволинейной поверхностью, обеспечи­вающим высокое качество.

Шлифовальная лента (ШЛ) представляет собой инструмент в виде замкну­той гибкой ленты с нанесенным на нее одним или несколькими слоями абразив­ного материала, закрепленного связкой. В качестве основы ШЛ обычно исполь­зуют хлопчатобумажные или синтетические (капрон, лавсан, полиэстер) ткани.

В качества абразивов применяют электрокорунд, окись циркония, карбид кремния, гранат и кубический нитрид бора. Выбор основы и абразивного мате­риала ШЛ выполняют исходя из требований к состоянию поверхностного слоя и вида обрабатываемого материала.

Основными параметрами режима при ленточном шлифовании являются усилие прижима ленты к обрабатываемой поверхности, которое задается и вы­держивается постоянным на протяжении всего процесса, зернистость абразив­ной ленты, твердость контактного ролика и скорость продольной подачи шли­фовальной головки.

Шероховатость поверхности при ленточном шлифовании в основном зави­сит от зернистости применяемой ленты и твердости контактного ролика и мало от скорости.

В авиадвигателестроении ленточное шлифование применяют для обработки пера лопаток (рис. 3.139) на специализированных копировальных станках и станках с ЧПУ. В связи с растяжением обычных тканевых лент (минимальная их ширина 15...20 мм) ленточное шлифование используют для лопаток с размером пера от 50 мм (станки HS-80 фирмы Huffman и MTS 1000-3NC фирмы Metabo).

В последнее время разработаны клиновые и серпантинные ленты на нетка­ной пластиковой основе, позволяющие резко уменьшить их ширину и обрабаты­вать лопатки меньших размеров. Например, ширина серпантинных лент фирмы ЗМ™ составляет 9 мм. Эти ленты имеют большую стойкость. Фирма ЗМ™ га­рантирует непрерывную работу своих лент в течение нескольких часов.

Frictioncoatingcorporation выпускает клиновые и плоские ленты с покрыти­ем из зерен карбида вольфрама «Razorsharp», имеющие в три раза большую стойкость, чем обычные ленты, и обеспечивающие лучшую шероховатость об­работанных поверхностей.

Существуют различные кинематические схемы обработки и соответствую­щее им оборудование для механизированного шлифования поверхностей пера лопаток (рис 3.140).

Ленточное шлифование может выполняться широкой и узкой абразивными лентами.

Обработку деталей с линейным контактом осуществляют методом обкатки. Формообразование обрабатываемой поверхности происходит за счет обкатки детали по заданной траектории вокруг копира S_об (рис. 3.140, а, б). Движения инструмента и детали связаны между собой.

Сложной операцией является шлифование пересекающихся поверхностей деталей, сопряженных по радиусу поверхностей прикомлевых и приполочных участков лопаток компрессора, которое выполняют методами обкатки и копиро­вания (рис. 3.140, в, г, д, е). Слой металла, снимаемый абразивной лентой, состав­ляет при предварительном шлифовании от 0,05 до 0,2, а при окончательном — до 0,04 мм на сторону на один проход.

Шлифование проводится с охлаждением СОЖ. Например, при шлифовании лопаток из легированных сталей и жаропрочных сплавов применяют трансфор­маторное масло с добавлением 3...5 % олеиновой кислоты.

В качестве абразивного материала для обработки жаропрочных сплавов и легированных сталей используют электрокорунд белый, титановых сплавов — карбид кремния зеленый.

Доводка лопаток значительно упрощается на станках ручного ленточного шлифования.

Новые технологии шлифования. Шлифование — одна из ключевых техноло­гий современного машиностроительного производства, которая благодаря новым разработкам в области создания абразивных материалов и инструментов, а также новейшего технологического оборудования, оснащенного многокоорди­натными устройствами ЧПУ, в последние годы получила качественное развитие. Роль процессов шлифования значительно увеличивается с появлением новых материалов, в частности конструкционных керамик и керамокомпозитов, полу­чение точных деталей из которых без шлифования проблематично.

Разработанные в последние годы процессы глубинного и высокоскоростно­го шлифования коренным образом изменили подходы к обработке хвостовиков лопаток турбин. Никелевые сплавы очень чувствительны к нагреву, прижогам и деформациям, происходящим при традиционном шлифовании, поэтому обра­ботка элементов хвостовика производилась очень медленно и тщательно и тре­бовала больших затрат времени. Современная технология глубинного шлифования позволяет выполнять черновую и отделочную обработку с высокой производи­тельностью и качеством. Например, обработка всех поверхностей хвостовика, без какого-либо вмешательства оператора, занимает 3...4 мин (ранее подобная операция продолжалась 20 мин и более). При использовании традиционной тех­нологии каждый элемент обрабатывался отдельно, в несколько этапов, с большой долей ручного труда и затратами времени на вспомогательные переходы. По этой причине большинство производителей лопаток турбин авиационных двига­телей в настоящее время перешли на технологии глубинного шлифования.

Глубинное шлифование (CreepFeedgrinding) является сравнительно новым способом абразивной обработки. Если при традиционном шлифовании для уда­ления припуска и обеспечения точности обработки требуется множество прохо­дов с глубиной резания порядка 0,002...0,05 мм при подаче 50...250 м/мин, то при глубинном шлифовании это достигается за два-три прохода при глубине ре­зания 1...10 мм и скорости подачи 0,7... 15 м/мин. Обычно выполняется один или несколько черновых проходов (в зависимости от удаляемого припуска) и после­дующий чистовой проход. За один установ детали, таким образом, совершаются операции черновой и чистовой обработки. Производительность глубинного шли­фования может быть в 100 раз выше традиционного. Глубинное шлифование ис­пользуют для широкой номенклатуры материалов, включая конструкционные и инструментальные стали, сплавы на никелевой основе, титановые сплавы и кера­мики.

К важнейшим достоинствам глубинного шлифования следует отнести эф­фективность обработки с высокой точностью и качеством поверхностного слоя сложных фасонных поверхностей деталей из труднообрабатываемых материалов (высокопрочных сталей, титановых и никелевых сплавов).

Замена фрезерования и протягивания сложных фасонных поверхностей глу­бинным шлифованием позволяет достичь экономии за счет меньшей стоимости ре­жущего инструмента (фасонные фрезы и протяжки очень дороги) и сокращения технологического маршрута обработки (одна операция глубинного шлифования взамен фрезерования, удаления заусенцев и последующего традиционного шлифо­вания). При глубинном шлифовании отсутствуют заусенцы, что является дополни­тельным преимуществом по сравнению с фрезерованием. Точность и стабильность процесса также выше. Формируемые при глубинном шлифовании остаточные на­пряжения сжатия позволяют отказаться от операций поверхностного пластического деформирования, часто выполняемых после обычного шлифования.

Классическая схема глубинного шлифования при использовании высокопо­ристого абразивного круга с его постоянной правкой приведена на рис. 3.141.

Основными факторами, определяющими эффективность глубинного шли­фования, являются:

• базирование, обеспечение жесткости и надежности закрепления заготовки;

• характеристика шлифовального круга;

• размеры и скорость вращения круга, продольная подача заготовки, глубина резания;

• давление, температура и объем подаваемой СОЖ, ее тип, место располо­жения охлаждающих сопел и их форма;

• способ и условия правки круга;

• жесткость, мощность и точность технологического оборудования.

П ри глубинном шлифовании вследствие большой дуги контакта круга с за­готовкой в 10-30 раз увеличивается мощность резания. Из-за больших сил реза­ния используемое оборудование должно обладать высокой жесткостью. Обяза­тельно также надежное и жесткое крепление заготовки. В ряде случаев при об­работке маложестких деталей с целью уменьшения силы резания используют несколько проходов или уменьшают скорость перемещения стола.

Увеличение глубины резания приводит к росту длины контакта и пути, проходимого абразивной частицей в контакте с деталью, а также количества частиц, одновременно находящихся в контакте. Каждое абразивное зерно среза­ет более тонкую и длинную стружку, чем при обычном шлифовании. Одним из показателей, характеризующих условия работы абразивного зерна, является его глубина врезания, определяемая выражением

где α_ср— глубина врезания зерна; V_зи V_кр— скорости заготовки и круга соответ­ственно; l— среднее расстояние между зернами по дуге контакта; t — глубина резания; D— диаметр круга.

Анализ формулы показывает, что поскольку при глубинном шлифовании скорость детали ниже, чем при традиционном, глубина врезания единичного зерна и нагрузка на него при микрорезании снижаются. Это дает возможность применять абразивные круги самой низкой твердости (ВМ1, ВМ2). Однако при глубинном шлифовании в контакте с деталью одновременно находится больше частиц, поэтому наблюдается сильное тепловыделение, что требует эффективно­го охлаждения, достигаемого подачей СОЖ под давлением 0,6... 1,3 МПа при расходе около 100...300 л/мин. При обычном шлифовании расход составляет 5... 10 л/мин. Высокое давление СОЖ обеспечивает преодоление воздушного барьера, образующегося вследствие большой скорости шлифовального круга, и эффективное охлаждение зоны резания.

Подбором оптимальных параметров процесса глубинного шлифования (ви­да, состава и способа подачи СОЖ, характеристик круга, способа и частоты правки, режимов резания и др.) могут быть созданы условия, исключающие воз­никновение термопластических деформаций поверхностного слоя и снижающие интенсивность протекания фазовых, структурных и диффузионных процессов. Исследования показывают, что при реально создаваемой интенсивности охлаж­дения количество теплоты, уходящее в обрабатываемую поверхность, в зависи­мости от условий обработки составляет 32...83 % от всей выделившейся тепло­ты. Причем чем больше угол наклона β (больше глубина шлифования) и меньше скорость заготовки, тем большее количество теплоты уходит в снимаемые с за­готовки слои металла и тем ближе смещаются максимальные значения на ее по­верхности к точкеА(рис. 3.142).

Для отвода возможно большего количества теплоты в снимаемые слои ме­талла кинематические параметры процесса должны удовлетворять следующему условию:

где Ре — критерий Пекле, характеризующий скорость съема металла по отно­шению к скорости распространения температуры в обрабатываемую заготовку; V_з — продольная скорость перемещения заготовки, м/с; D— диаметр круга, м;t — глубина шлифования, м; а — коэффициент температуропроводности обра­батываемого материала, м²/с.

Интенсивный отвод теплоты от зоны резания обеспечивается обильной по­дачей СОЖ под давлением. Минимальное значение коэффициента теплоотдачи а₀ = (3,5...5) • 10³ Вт/(м² • °С) может служить мерой эффективности охлаждения и снижения температуры на участке контакта круга с заготовкой. При обеспечении такой интенсивности теплоотдачи температура в точкеАсоставит 300...500 °С, что является гарантией отсутствия прижогов и трещин на обработанной поверх­ности. Соотношение скорости круга и заготовки V_K/V_З - 60...200.

Снижение сил резания, действующих на единичное зерно при шлифовании, и эффективное охлаждение обеспечивают минимальное тепловое и силовое воз­действие на поверхностный слой.

Специфические условия процесса глубинного шлифования требуют приме­нения специального инструмента.

Шлифовальные круги, используемые при глубинном шлифовании, можно разделить на две группы: с традиционными абразивными материалами и сверх­твердыми (суперабразивами). Обычные абразивы имеют форму зерен или час­тиц, а суперабразивы — форму кристаллов. Традиционными абразивами счита­ют корунд (А1₂0₃, твердость по Кнуру 2500) и карбид кремния (SiC, твердость по Кнуру 2700). К суперабразивам относят кристаллы кубического нитрида бора (твердость по Кнуру 4700) и алмазы (твердость по Кнуру 7000).

Основным требованием к инструменту для глубинного шлифования являет­ся присутствие и равномерное распределение одинаковых по размеру пор, со­единенных друг с другом каналами, обеспечивающими подвод СОЖ через тело круга. Наилучшими для глубинного шлифования считаются мягкие круги с вы­сокой пористостью и открытой структурой. При их получении в связку добав­ляют частицы, которые при спекании выгорают, образуя поры. Например, для глубинного шлифования лопаток турбин газотурбинных двигателей применяют круги диаметром 500 мм с зернистостью от 10 до 40 и твердостью ВМ. Размер крупных пор составляет 0,3...0,4 мм, объем пор достигает 50 %. Обычные абра­зивные круги для традиционного шлифования имеют пористость, не превы­шающую 25...30 %. Пористость обеспечивает подвод СОЖ в зону обработки, что улучшает условия охлаждения, уменьшает силы резания и способствует удалению из наружных открытых пор стружки. Кроме того, открытые поры, вы­ходящие на поверхность, обеспечивают выход стружки, образующейся в про­цессе шлифования. Следует отметить, что при большой глубине резания подвод СОЖ в зону обработки иногда возможен только через поры. Равномерное рас­пределение пор необходимо для обеспечения равномерной плотности и миними­зации дисбаланса шлифовального круга.

На эффективность шлифования значительное влияние оказывают размеры пор круга. При больших размерах пор улучшаются условия подвода СОЖ, одна­ко уменьшается количество одновременно работающих абразивных частиц и увеличивается нагрузка на них. Очевидно также, что с увеличением размеровпор сложнее обеспечить прочность закрепления абразивных зерен в связке. До­пустимые размеры пор определяются размерами абразивных зерен. При боль­ших размерах пор сложнее обеспечить их равномерное распределение. При ма­лом размере ухудшаются условия охлаждения и выхода стружки. Размер пор влияет на способность круга сохранять форму: если поры значительно больше абразивных зерен, трудно поддерживать форму круга.

Большое значение имеет и твердость круга. Абразивные зерна по мере их затупления должны обновляться путем скалывания и выкрашивания частиц. В слишком твердом круге связка продолжает удерживать затупившиеся и поте­рявшие режущую способность зерна. При этом на работу по удалению материа­ла расходуется большая мощность, изделия нагреваются, возможно их коробле­ние, на поверхности появляются следы огранки, царапины, прижоги и др. В слишком мягком круге зерна, еще не утратившие свою режущую способность, выкрашиваются, круг теряет правильную форму, увеличивается его износ, в ре­зультате чего трудно получить детали необходимых размеров и формы. В про­цессе обработки появляется вибрация, необходима более частая правка круга. Таким образом, в обоих случаях снижается интенсивность съема материала и повышается шероховатость поверхности обрабатываемого изделия.

Зернистость кругов выбирается главным образом в зависимости от требова­ний, предъявляемых к шероховатости обрабатываемой поверхности. Например, при зернистости 200...63 шероховатость поверхности составляет Ra = 0,32...0,63, а при зернистости 63...40 Ra = 0,32...0,16 мкм.

Для большинства материалов используют круги на основе электрокорунда (шлифование сталей и никелевых сплавов) и карбида кремния (шлифование ста­лей и титановых сплавов).

Суммируя изложенное, следует отметить, что основными качественными показателями кругов для глубинного шлифования из обычных абразивов явля­ются:

• оптимальное соотношение между размерами зерен и пор для обеспечения выхода стружки и создания условий охлаждения;

• равномерное распределение пор в материале круга для минимизации дис­баланса;

• увеличенная прочность связки для удержания зерен при высокой концен­трации пор и минимальные размеры мостиков связки, соединяющих соседние абразивные зерна;

• контролируемое разрушение связки для обеспечения самозатачивания и правки кругов.

В настоящее время все более широкое применение получает глубинное и высокоскоростное шлифование абразивными кругами из алмаза и кубического нитрида бора (КНБ). Круги из КНБ особенно эффективны при обработке дета­лей сложной формы из труднообрабатываемых материалов (твердых сплавов, сплавов на никелевой, кобальтовой и титановой основе), а также в тех случаях, когда форма круга не допускает его правки. Алмазные круги используют дляшлифования твердых сплавов и деталей из конструкционных керамик. Некото­рые керамики могут обрабатываться только суперабразивами.

Стойкость кругов из КНБ с металлической связкой значительно выше, чем обычных. Коэффициент стойкости абразивных кругов, находимый как отноше­ние объема удаленного материала к объему износа круга, для обычных кругов из электрокорунда составляет 1...5, для кругов из КНБ от 60 до 120. Такая высокая стойкость кругов их КНБ обеспечивает работу без правки или только с предва­рительной правкой. Их основными достоинствами являются высокая скорость удаления материала, меньшие силы резания, меньшие температуры в зоне реза­ния и способность сохранять форму от начала до конца обработки. КНБ, в част­ности, целесообразно использовать для шлифования профилей с углами малого радиуса.

Основой шлифовальных кругов из суперабразивов служат пластики, стали и алюминиевые сплавы, а абразивный слой формируется на периферии круга. Он может состоять из нескольких слоев абразивных зерен (многослойные круги) или — в случае использования металлической связки — из одного слоя кристал­лов (однослойные круги). Такой подход связан с тем, что стоимость сверхтвер­дых абразивов в настоящее время остается довольно высокой.

Однослойные круги имеют слой кристаллов абразива, закрепленных на по­верхности гальваническим покрытием. Например, шлифовальные круги для об­работки никелевых сплавов изготавливают нанесением слоя КНБ на стальной диск. Зерна абразива гальваническим способом заращивают слоем никеля. Точ­ности формы таких кругов добиваются тщательной сортировкой кристаллов аб­разива по размеру. Вершины абразивных зерен выступают над уровнем закреп­ляющего покрытия на ~ 0,1. ..0,15 мм, чем обеспечивается выход образующейся при шлифовании стружки. Такие круги имеют разное применение. Они, в част­ности, эффективны при глубинном шлифовании зубьев зубчатых колес и для обработки деталей из никелевых сплавов. В связи с высокой твердостью, изно­состойкостью, теплостойкостью и прочностью крепления зерен круги имеют большой срок службы. Скорость удаления материала достигает значений, срав­нимых с лезвийной обработкой. Снижается риск образования прижогов.

Круги из суперабразивов высокоэффективны при шлифовании деталей с из­носостойкими покрытиями — плазменными, детонационными и другими, а так­же конструкционных керамик. Следует отметить, что шлифование керамик име­ет определенную специфику. Шлифованная поверхность покрыта кратерами, размеры которых зависят от размеров зерен. Их возникновение связано с вы­крашиванием частиц керамики при шлифовании. Для устранения этого эффекта шлифование необходимо производить с малыми подачами на очень жестком оборудовании.

Многослойные круги из суперабразивов получают с использованием баке­литовых, металлических и керамических связок. Для глубинного шлифования могут применять пористые круги с керамической связкой. Точность формы та­ких кругов достигается предварительной правкой. Толщина абразивного слоя наносимого на металлический круг, определяется планируемым сроком службы. Круги из КНБ обычно имеют небольшие размеры (диаметр 75...200 мм при ши­рине -25 мм). Однако в случае необходимости изготавливают и круги больших размеров. Профильные однослойные круги из КНБ показаны на рис. 3.143.

Правка шлифовальных кругов преследует следующие цели: предваритель­ная правка для обеспечения формы, устранение биений и дисбаланса, правка в процессе шлифования для поддержания формы круга, удаление изношенных (засаленных) абразивных зерен и обнажение новых, острых, зерен.

Для правки кругов глубинного шлифования используют следующие основ­ные методы: правка правящим алмазным карандашом или диском, перемещае­мым относительно круга по копиру или заданным программой, алмазным пра­вильным профилированным роликом и выкрашиванием. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки и применяется в зависимости от требуемой точности обработки, стойкости и формы периферии круга, времени для выпол­нения правки, технологического оборудования и др. Правка алмазным роликом может выполняться на рабочих скоростях круга.

Правку проводят периодически или постоянно в процессе работы круга. Частота прерывистых правок определяется экспериментально в зависимости от объема снимаемого материала, стойкости круга, точности обработки.

Иногда правка выполняется после черновых проходов перед окончатель­ным. Если круг быстро теряет форму, частота правок увеличивается. Периоди­ческая правка может осуществляться всеми перечисленными выше методами.

При глубинном шлифовании пористыми мягкими кругами из обычных абра­зивов наиболее часто используется постоянная правка круга, выполняемая алмаз­ными профилированными роликами. Станок должен быть специально приспособ­лен. Прижатый к шлифовальному кругу ролик перемещается в радиальном на­правлении с постоянной скоростью S_p(рис. 3.144). Она назначается в зависимости от условий обработки (вида круга, обрабатываемого материала). Очевидно, что скорость должна быть минимально необходимой для обеспечения затачивания круга и компенсации потери формы. Например, если скорость естественного износа круга составляет 20 мкм/мин, то скорость перемещения ролика принимается равной 24 мкм/мин. Постоянная правка круга приводит к сокращению сро­ка его службы, однако обеспечивает необходимую форму инструмента и упро­щение контроля за процессом шлифования.

Вследствие малого износа алмазного правильного ролика он не теряет свою форму в течение нескольких месяцев непрерывной работы. Чтобы получить ско­рость правки, необходимую для восстановления профиля, без значительного со­кращения числа оборотов шлифовального шпинделя, необходим привод ролика. Условия правки можно регулировать изменением скорости проскальзывания пра­вильного ролика относительно шлифовального инструмента.

По мере перемещения ролика диаметр шлифовального круга уменьшается, поэтому в программу обработки вводится компенсация в виде радиальной пода­чи круга S_Y, обеспечивающая минимизацию погрешностей обработки, связанных с изменением диаметра круга. Устройство ЧПУ одновременно увеличивает час­тоту вращения круга для поддержания постоянной скорости резания. С умень­шением диаметра круга увеличивается длина дуги контакта, а, следовательно, и нагрузка на отдельные абразивные зерна. По этой причине вводится еще одна коррекция на скорость перемещения стола (продольную подачу).

В процессе правки в зону между роликом и кругом подается СОЖ. Это по­зволяет увеличить стойкость алмазного ролика и минимизировать тепловые де­формации, ведущие к снижению точности обработки.

Алмазные ролики имеют стойкость от 10000 до 180000 условных правок. Для их изготовления используют разные технологии.

1. Гальванический негативный метод. Этот способ нашел наиболее широкое применение. Алмазный ролик изготавливают в определенной последовательно­сти: сначала графитовую форму в виде кольца, внутренняя поверхность которо­го является негативным отражением профиля будущего ролика; на внутреннюю поверхность формы наносят тонкий слой гальванического покрытия и, исполь­зуя специальное токопроводящее клейкое вещество, формируют алмазный слой; алмазный слой посредством гальванопластики заращивается слоем никеля толщиной 2...2,5 мм; внутрь графитового кольца с помощью специального приспо­собления, обеспечивающего точность установки, помещают стальной корпус будущего ролика; производится заливка пространства между стальным корпу­сом и гальванической коркой легкоплавким (140... 160 °С) сплавом; токарной обработкой удаляют графитовую форму и приливы легкоплавкого сплава; очи­щают алмазный слой врезанием во вращающийся мягкий абразивный круг в присутствии СОЖ.

Алмазный слой может состоять из мелких кристаллов алмаза, отдельных крупных кристаллов, устанавливаемых вручную, или комбинации крупных кри­сталлов с мелкими. Комбинация мелких и крупных алмазных зерен обеспечива­ет максимальную стойкость ролика.

2. Гальванический позитивный метод. Основан на гальваническом заращивании предварительно нанесенного на периферию стального корпуса ролика слоя кристаллов алмаза. Недостатком этого способа является сложность обеспе­чения точности формы (необходимо учитывать размеры алмазных зерен), а дос­тоинством — простота и технологичность.

3. Порошковый (инфильтрационный) негативный метод. В отличие от галь­ванического образование металлической связки алмазного слоя достигается оп­лавлением металлического порошка, засыпанного в пространство между сталь­ным корпусом и графитовой формой с алмазным слоем, в печи. Недостатком способа является коробление ролика при нагреве в печи.

Размеры зерен алмазов, используемых для изготовления правящих роликов, выбирают в зависимости от требуемой точности и сложности профиля. Для профилей, имеющих острые углы, например резьбовых, используют мелкозер­нистые алмазы.

На эффективность глубинного шлифования значительное влияние оказыва­ют тип и способ подачи охлаждающей жидкости. Подача СОЖ имеет следую­щие основные цели:

• отвод тепла из зон шлифования и правки;

• смазывание зон шлифования и правки для снижения сил резания;

• вымывание стружки и продуктов износа круга из зон шлифования и правки;

• очистка шлифовального круга;

• защита деталей от коррозии (достигается добавлением ингибиторов кор­розии).

На практике в зависимости от обрабатываемого материала и применяемого круга используют разные типы СОЖ, которые можно разделить на следующие группы:

• синтетические;

• полусинтетические;

• масляные эмульсии;

• масла (нефтяные и синтетические).

Наибольшее применение при глубинном шлифовании на российских авиа-двигателестроительных предприятиях нашел 1,5...2%-ный водный растворэмульсола — Аквол-2. Он содержит противозадирные хлорные и серные при­садки, смесь которых служит для снижения интенсивности адгезионных и диф­фузионных процессов, особенно при обработке труднообрабатываемых мате­риалов. Вода обеспечивает высокую эффективность отвода теплоты.

Перспективной является синтетическая СОЖ, представляющая собой 2...3%-ный раствор концентрата Аквол-10М, содержащий анионоактивные и неионогенные эмульгаторы и жировые присадки. Применение этой СОЖ дает сни­жение шероховатости на 15...20 и сил резания на 10 % по сравнению с СОЖ на основе Аквол-2. За рубежом широко используется СОЖ «RelubroS60», спе­циально разработанная для процессов глубинного шлифования.

Для кругов из КНБ целесообразно создание жидкостей не на водной основе с повышенным смазочным и охлаждающим эффектом. Такие жидкости позволят уменьшить тепловыделение и устранить химическое разрушение КНБ, связан­ное с воздействием высоких температур. Формирование оксида В₂0₃ на поверх­ности зерен КНБ создает защитный слой, препятствующий дальнейшему окис­лению. В водной среде при воздействии температур этот оксид разрушается. Несмотря на малую скорость реакций в определенных условиях они могут зна­чительно снижать стойкость абразивных зерен. Использование специальных жидкостей минимизирует отрицательные последствия.

Эффективное использование СОЖ обеспечивается системой ее подачи и очистки. СОЖ подается в зону обработки под давлением 0,5...0,6 МПа с расхо­дом 80...200 л/мин на один круг. Положение охлаждающего и дополнительного очистного сопла относительно обрабатываемой заготовки автоматически сохра­няется по мере изнашивания круга. Баки дляСОЖ вмещают не менее 1500...3000 л и снабжены холодильными устройствами для стабилизации темпе­ратуры на уровне 20...30 °С. Предусмотрены системы фильтрации СОЖ. На эф­фективность охлаждения и очистки круга значительное влияние оказывает фор­ма и расположение сопел. Обычно их подбирают в зависимости от конкретных условий шлифования. Давление СОЖ в разных соплах (основном, очистном, для охлаждения правильного круга) может существенно различаться. Выбор опре­деляется конкретными условиями обработки.

Глубинное шлифование требует применения очень мощных и жестких стан­ков (15... 150 кВт), имеющих высокую точность перемещений.

Современное оборудование для глубинного шлифования оснащается уст­ройствами автоматической смены шлифовальных кругов и их балансировки, системами активного контроля размеров, контроля процесса на основе накоп­ленных статистических данных, поддержания температуры и фильтрации охла­ждающей жидкости, полного контроля процесса устройством ЧПУ. Станки для глубинного шлифования стоят в 10 и более раз дороже, чем обычные. Однако технология глубинного шлифования позволяет совмещать на одном станке не­сколько операций, что способствует ускорению их окупаемости.

На рис. 3.145 приведена компоновка станка для глубинного шлифования.

Отечественные и зарубежные станкостроительные предприятия выпускают широкую гамму станков для глубинного шлифования. В производстве деталей ГТД в настоящее время широко используют одношпиндельные станки плоско­профильного шлифования типа ЛШ-220, специализированные — типа ЛШ-262, ЛШ-265, ЛШ-236 и специальные двухшпиндельные станки типа ЛШ-233. Все эти станки отличает применение в них механизма непрерывной правки шлифо­вального круга. Полуавтомат с ЧПУ ЛШ-233 предназначен для одновременного двухстороннего шлифования заготовок с непрерывной правкой кругов. Эти станки используют для шлифования хвостовиков лопаток (рис. 3.146). Другие схемы шлифования хвостовиков и полок лопаток показаны на рис. 3.147, 3.148.

Фирмой EdgetecMachineCorp. изготовлен комбинированный станок, пред­назначенный для выполнения операций фрезерования и глубинного шлифования. Он позволяет обрабатывать сложные детали из наиболее труднообрабатываемых материалов. Этот пятикоординатный станок оснащен делительно-поворотным столом и устройством автоматической смены инструментов, в числе которых круги из КНБ, работающие со скоростью 100 м/с, а также торцовые и концевые фрезы. Ход по оси Zдостигает 400 мм.

Фирма BridgeportMachines, известная своими вертикальными многоцеле­выми станками, совместно с фирмами Fellows, Bryant, Jones&Lamson, HillAcmeи LomaMachine, выпустила пятикоординатный гибкий шлифовальный центр мод. FGC1000 для комплексной обработки лопаток газотурбинных двигателей.Он оснащен 30-позиционным магазином, в котором устанавливают шлифо­вальные круги диаметром 120...220 мм из электрокорунда. Время смены круговот стружки до стружки — 4 с, частота вращения привода мощностью 30 кВт ре­гулируется от 40 до 6000 об/мин. Размеры стола 1150 х 490 мм, перемещения по осям X, Yсоставляют 40 м/мин, по оси Z — 30 м/мин. Точность позиционирования ± 2 мкм. На станке установлена система компенсации тепловых деформаций.

Специально для шлифования керамики используют, в частности, станки с ЧПУ Ceratech Т-25 с автоматической сменой кругов и предварительной правкой алмазных кругов на металлической связке электроэрозионной обработкой гра­фитовым электродом.

Процесс глубинного шлифования может быть реализован и на обычных шлифовальных станках, например для шлифования деталей с узкими попереч­ными элементами.

Однослойные круги с суперабразивами начинают использовать в высоко­скоростном шлифовании. Обычно шлифование производится со скоростью резания 30...35 м/с; при высокоскоростном шлифовании — в диапазоне 100...200 м/с. Увеличение скорости шлифования позволяет повысить стойкость кругов и улучшить качество поверхностного слоя. Круги не нуждаются в заточке. Воз­можность обработки на больших скоростях достигается тем, что основы кругов выполнены из металла. Современная технология получения стальных однослой­ных кругов с КБН обеспечивает точность их изготовления ~ 0,015 мм, а в бли­жайшие годы планируется достигнуть точности 0,005 мм. Возможна обработка элементов поверхностей с радиусами скругления до 0,5 мм. Следует отметить, что элементы профиля круга могут иметь радиус от 0,13 мм.

Отдельные кристаллы КНБ выступают над связкой на 40...50 % их размера, что способствует эффективному выходу стружки и подводу СОЖ.

При высокоскоростном шлифовании однослойными кругами из КНБ — этот процесс еще называют высокоэффективным глубинным шлифованием (high-efficiencydeepgrinding) — образуется микростружка, подобная по форме и типу получаемой при фрезеровании. Высокие скорости резания и подач и относи­тельно большая глубина резания при шлифовании КНБ позволяют обрабатывать твердые стали, титановые и никелевые сплавы с производительностью того же порядка, что и при фрезеровании обычных сталей, например с глубиной резания 10 мм при ширине обработки 100 мм и подаче 76 мм/мин.

Станки для обработки кругами из КНБ, например Edgetek, имеют повышен­ную мощность (26 кВт) при частоте вращения шпинделя до 14000 об/мин, высо­кие жесткость и демпфирующую способность. При диаметре круга 152 мм ско­рость резания составляет 112 м/с, что в четыре раза превышает скорость резания при традиционном шлифовании. В качестве СОЖ, подаваемой под высоким давлением из нескольких сопел, обычно используют машинное масло или мас­ляную эмульсию. При обработке в таких условиях только 4 % выделяющегося тепла уходят в обрабатываемую деталь (для сравнения: при обычном шлифова­нии эта доля составляет 60...70 %). Меньшее термическое воздействие позволя­ет избежать формирования растягивающих остаточных напряжений. На обрабо­танных деталях практически отсутствуют заусенцы, характерные для обычного шлифования, например, никелевых сплавов.

б

Рис. 3.150. Комплексная обработка элементов лопатки газовой турбины на шлифоваль­ном станке с ЧПУ: а — лопатка; б — схемы обработки

На рис. 3.149 приведены компоновки станков с ЧПУ для обработки кругами изКБН.

Наиболее широко этот процесс применяется в производстве зубчатых колес для шлифования зубчатых венцов по сплошному металлу или после предвари­тельного формообразования зубьев и термической обработки.

Высокоскоростное шлифование никелевых сплавов обеспечивает произво­дительность на 50...80 % большую, чем фрезерование. Обычно обработка вы­полняется за один или два прохода кругами диаметром 152,4 или 203,2 мм.

Возможности высокоскоростного шлифования показаны на примере обработ­ки элементов лопатки (рис. 3.150). Применение этой технологии дает возмож­ность обрабатывать все стороны замка литой лопатки турбины из никелевого сплава за 3...4 мин, причем один круг без потери точности обеспечивает обработ­ку ~ 1500 замков.

Разработаны специальные станки для шлифования пера лопаток, включая входные и выходные кромки.