1.7 Вывод

Шлифование - один из видов обработки резанием, при котором припуск на обработку снимается абразивными инструментами. Шлифованием можно получить высокую точность размеров и формы, а так же необходимую шероховатость поверхности.

2.1 Обдирочное шлифование

Обдирочное шлифование используется для удаления с заготовок дефектного слоя материала после литья, прокатки, ковки, штамповки и сварки. При обдирочном шлифовании производится только зачистка поверхностей заготовок, в основном без их формообразования.

Обдирочное шлифование производится при снятии больших припусков кругами на бакелитовой связке преимущественно прямого профиля (типа ПП, реже типов ПВ, ПР и ПН), а также чашечными кругами типа ЧК зернистостью 80-320.

Обдирочное шлифование выполняется на стационарных и подвесных станках, а также на ручных машинках. На подвесных станках производится светление стальных слитков, зачистка пороков отливок, обдирка поковок, проката и другие работы; на стационарных станках — обдирка среднегабаритных отливок, поковок и проката; на ручных машинках — выборочная зачистка крупногабаритных отливок, поковок и проката. Обдирочное шлифование ведется с большой глубиной резания и со значительной подачей.

На станках стационарного типа при обдирке мелких и средних отливок и поковок применяются круги типа ПП наружным диаметром 200-600 мм из нормального электрокорунда и черного карбида кремния, зернистостями 125, 100 или 80, степеней твердости СТ1-Т1. А для обдирки и зачистки отливок и проката — круги типа ПП наружным диаметром 400-900 мм, из тех же шлифматериалов, но степеней твердости СТ1-СТ3, изготовленные методом холодного прессования для обработки с рабочей скоростью до 50 м/с.

На станках этого типа применяются также рифленые плоские круги типа ПР, на одной из торцевых поверхностей которых (рабочей) имеются рифления в виде квадратных конических углублений до 11 мм. Такие углубления делают рабочую поверхность круга прерывистой, что позволяет шлифовать этими кругами заготовки с большой площадью обработки. Эти углубления позволяют снимать значительный слой металла без засаливания рабочей поверхности круга, так как стружка, остающаяся в зоне контакта, размещается в углублениях.

Рифления на кругах типа ПР уменьшают площадь контакта круга со шлифуемой поверхностью и вместе с тем значительно увеличивают общую длину рабочих кромок круга, несущих основную нагрузку при шлифовании. Уменьшение площади контакта также препятствует образованию прижогов, а углубления способствуют лучшей очистке круга и заготовки путем проходящего воздуха.

Круги типа ПР предназначены для обработки всевозможных станочных заготовок, торца крышки картера цилиндра, торцов, шатунов, втулок клапанов, пружин и т. д. Их изготовляют только на бакелитовой связке, причем круги наружным диаметром 500-750 мм делают сплошными, а наружным диаметром 1340 мм — секторными. Перед установкой на станок такие круги приклеивают специальными составами к металлическому диску, при помощи которого они и крепятся к станку. Недостатком кругов типа ПР является их малая полезная рабочая высота, вследствие чего они быстро срабатываются.

На станках стационарного типа применяют также шлифовальные круги типа ПН, нарощенные на металлические диски. Такие круги имеют в 2,5-3,5 раза большую высоту по сравнению с кругами типа ПР и больший срок службы. Они предназначены для обработки плоскостей разных заготовок, в частности картеров и торцов клапанов.

На станках подвесного типа, допускающих обработку при повышенных рабочих скоростях (50 м/с), применяются круги типа ПП - наружным диаметром 300-600 и высотой 40-75 мм на бакелитовой связке.

На ручных машинках применяются шлифовальные круги, характеристики которых приведены в таблице 2. Обработка ведется при рабочей скорости 35-50 м/с, а при применении специальных кругов с прокладками из стеклосетки (СПАП) рабочая скорость повышается до 80 м/с.

Таблица 2 – Характеристика шлифовальных кругов, применяемых на ручных машинках

Тип	Диаметр, мм	Зернистость	Степень твердости	Связка
ПП	125-200	125-80	С1-СТ2	Бакелитовая
ПВ	125-175	125-80	C1-СТ2	Бакелитовая
ЧК	125-150	80-50	C2-CT	Бакелитовая

Одним из основных направлений развития обдирочного шлифования является резкое увеличение объемов снимаемого металла в единицу времени при высоких рабочих скоростях, скоростях продольных подач и высоких силах прижима в зоне обработки. Это позволяет снизить общие припуски на механическую обработку термообработанных заготовок повышенной твердости, исключить в ряде случаев фрезерование, строгание, огневую зачистку при снятии припусков до 10 мм и более за проход. Такой метод скоростного обдирочного шлифования широко применяется в машиностроении при обработке заготовок шлифованием из целого металла без предварительного точения, в металлургической и литейной промышленности при подготовке и отделке проката, зачистке отливок. При этом методе обдирочного шлифования применяется гамма специальных обдирочно-шлифовальных станков, работающих при рабочей скорости 60-80 м/с, скорости продольной подачи до 60 м/мин, силе прижима 6000-10000 Н, мощности главного привода 75-160 кВт. Для работы на этих станках выпускаются обдирочные горячепрессованные круги наружными диаметрами 500, 600 и 800 мм из циркониевого электрокорунда зернистостями 160, 200 и 250.

В настоящее время развивается новое направление скоростной абразивной зачистки полупродукта и готового проката на агрегатных станках при рабочей скорости 80 м/с и силе прижима 15000-20000 Н (мощность главных приводов — по 300 кВт). Она производится двумя составными кругами большого наружного диаметра из новых горячепрессованных сегментов 12С 125х75х250 из циркониевого электрокорунда 38А зернистостями 200-80, степенью твердости 4Т.

Особенностью данного обдирочного шлифования, осуществляемого при высокой удельной силе прижима в зоне обработки, высокой рабочей скорости и скорости продольной подачи, является высокая интенсивность самозатачивания отдельных абразивных зерен и высокий съем металла за порогом прижогов, сопровождающих шлифование при обычно применяемом режиме обработки.

2.2 Круглое наружное шлифование

Круглым наружным шлифованием обычно называют процесс шлифования заготовки во время ее вращения в центрах или патроне.

Круглошлифовальные станки разделяются на универсальные и специальные. На этих станках шлифуются цилиндрические, конические, ступенчатые и фасонные поверхности.

Различают два способа обработки заготовок на круглошлифовальных станках: шлифование с продольной подачей и врезное шлифование.

Шлифование с продольной подачей применяется при обработке заготовок, длина которых значительно превосходит ширину шлифовального круга. Одной из разновидностей шлифования с продольной подачей является глубинный способ (рис. 3), при котором шлифование производится с большой подачей на глубину t, малой продольной подачей (Sпрод). Глубина шлифования равна оставленному на обработку припуску, круг подается сразу на эту величину, а заготовка получает очень медленную продольную подачу. При работе этим способом быстро изнашивается передняя кромка круга, так как она подвергается максимальной нагрузке и круг приходится чаще править. Тем не менее при таком пособе шлифования достигается значительное уменьшение времени обработки за счет сокращения числа проходов и распределения нагрузки на большее число участвующих в резании абразивных зерен.

Врезное шлифование применяется в тех случаях, когда длина шлифуемой поверхности несколько меньше высоты круга или равна ей . Этот вид шлифования широко применяется при массовом и крупносерийном производстве.

С целью ускорения операций шлифования заготовок, длина которых значительно превышает высоту круга, рациональнее использовать комбинированный способ обработки (рис. 4):

• предварительное врезное шлифование с высокой поперечной подачей _Sпоп на величину припуска и перемещением круга из положения / в положения //, /// и т. д.;

• окончательное шлифование с продольной подачей _Sпр, обеспечивающей требуемую шероховатость поверхности обработки.

Обработка коренных и шатунных шеек коленчатого вала представляет собой одну из наиболее сложных операций круглого шлифования методом врезания, так как при этом производится комбинированное шлифование: круглое цилиндрической поверхности шейки и профильное — галтели. К шлифовальным кругам для обработки шеек коленчатых валов предъявляют особые требования: с одной стороны, круг должен хорошо выдерживать заправленный радиус закругления (галтель), то есть быть достаточно твердым, а с другой, — не должен допускать прижогов на шейке вала, то есть быть достаточно мягким. При шлифовании шеек коленчатого вала применяются круги из белого и хромотитанистого электрокорунда наружным диаметром 750-1100 мм, высотой 32-130 мм; зернистостью 40, степеней твердости СТ1-СТ3 (для предварительной операции) и зернистостью 25, степеней твердости СМ1-С1 (для окончательной операции).

В настоящее время все большее применение находят специальные полуавтоматические многокруговые станки для одновременного шлифования трех-шести коренных шеек коленчатых валов набором шлифовальных кругов. Несмотря на снижение режущей способности каждого круга более чем в три раза и увеличение машинного времени шлифования одной шейки почти в 2,5 раза, производительность труда увеличивается почти в два раза по сравнению с обработкой на однокруговых станках при повышении геометрической точности расположения шеек относительно центральной оси вала.

Для станков с многокруговой наладкой предъявляются повышенные требования к комплектации набора кругов: круги в комплекте должны быть одинаковыми по режущей способности и стойкости. Балансировка наборов кругов осуществляется вне станков за счет смещения тяжелой части каждого круга на определенный угол (360^о/n, где n — число кругов в наладке) относительно друг друга и уравновешивания таким образом всего набора. Неуравновешенность кругов, входящих в комплект, должна соответствовать 1 классу неуравновешенности.

Аналогичные результаты достигаются при совмещенном шлифовании заготовок угловыми кругами, когда обработка ведется периферией и торцом круга. Интенсивность обработки повышается за счет совмещения шлифования по нескольким обрабатываемым поверхностям и исключения потерь вспомогательного времени на перемещение круга с одной обрабатываемой поверхности на другую. Несмотря на интенсификацию обработки, нагрузка на отдельные абразивные зерна не повышается, так как припуск распределяется на их большее число. В то же время разворот круга относительно оси обрабатываемой заготовки в пределах 15-30^о, когда перепад скоростей на рабочих поверхностях круга не превышает 5-8 м/с, повышает устойчивость системы «станок-круг-деталь», увеличивает ее жесткость, снижает радиальную составляющую силы резания и износ круга, что в конечном счете способствует повышению качества обработки, стойкостной наработки кругов и их эксплуатационных показателей.

Для круглого наружного шлифования распределительных валов двигателей внутреннего сгорания применяются круги типа ПП наружным диаметром 450-750, высотой 20-40 мм на керамической, бакелитовой или вулканитовой связках. Для обработки заготовок различных диаметров применяется круглое шлифование одновременно несколькими шлифовальными кругами. Для круглого шлифования в центрах применяются преимущественно круги типа ПП наружным диаметром 250-1100, высотой 20-75 мм, для круглого шлифования в центрах с одновременной подрезкой торцовой стороны — круги типа ПВ наружным диаметром 200-600 мм. Для одновременной обработки заготовки по наружному диаметру и бортику применяются шлифовальные круги типа ПВК с конической выточкой, являющиеся разновидностью кругов типа ПВ. Коническая выточка уменьшает нагрев и улучшает условия шлифования торцом круга. Для наружного шлифования заготовок, у которых одновременно с обработкой по диаметру требуется подрезка выступов с двух сторон (например, при обработке щек коленчатого вала), применяются круги типа ПВДК наружным диаметром 750-1000 мм.

Мощным средством увеличения эффективности процесса шлифования является повышение рабочей скорости шлифовального круга до 60 м/с (скоростное шлифование), 80 и даже 100-120 м/с (высокоскоростное шлифование). В настоящее время уровень развития абразивной промышленности позволяет осуществлять в машиностроении процесс шлифования с рабочей скоростью 60-80 м/с; увеличение рабочей скорости круга до 60-80 м/с позволяет повысить его стойкость в 1,5-3 раза, уменьшить величину шероховатости обработанной поверхности, снизить износ круга — в 1,5-2,0 раза за счет уменьшения средней толщины среза и соответствующих ей сил резания. Уменьшение сил резания дает возможность пропорционально повышению рабочей скорости круга увеличить подачи, то есть интенсифицировать съем металла при неизменных параметрах качества обрабатываемых поверхностей. При этом рост режущей способности абразивного инструмента опережает рост его износостойкости, способствует сокращению основного времени шлифования и резкому увеличению коэффициента шлифования. В результате всего этого при высокоскоростном шлифовании наблюдается значительное уменьшение технологической себестоимости шлифования.

В настоящее время для наружного шлифования в центрах используются круги типа ПП наружным диаметром до 750 мм и высотой до 100 мм

Бесцентровое шлифование - отличается от центрового тем, что обрабатываемые детали получают вращение и шлифуются без крепления в центрах, причем базой является обрабатываемая поверхность. При круглом бесцентровом шлифовании оба круга вращаются в одну сторону с разными скоростями, рабочий круг - со скоростью 30-35 м/с, ведущий - со скоростью, в 60-100 раз меньшей. Опорой для шлифуемой детали является нож со скошенным краем, находящийся между рабочим и ведущими кругами. Нож устанавливается так, чтобы центр детали находился выше или ниже центров кругов. Типы используемых кругов - ПП и ПВД;

Внутреннее шлифование - шлифование отверстий цилиндрической и конической формы. В зависимости от конструкции детали и станка шлифование осуществляется при вращении детали или при неподвижном состоянии. Шлифовальный круг при обработке вращается не только вокруг своей оси со скоростью 20-35 м/с, но и вокруг оси обрабатываемого отверстия с круговой подачей 20-30 м/мин. Типы абразивного инструмента - ПП и ПВ;

Плоское шлифование - шлифование плоскостей осуществляется периферией или торцом круга, используются круги типа ПП, ПВ, ПВД, 1К, ЧК, ЧЦ и ПН, сегменты СП, 1C, 2С, ЗС, 4С, 5С, 6С и 8С;

2.3 Хонингование

Хонингование – это обработка материалов резанием, где в качестве резцов выступают зерна абразива. Хонингование – это достаточно производительный процесс. Скорость съема припуска при хонинговании может достигать 2000 см3 в час, что соизмеримо с чистовым точением и шлифованием. При этом хонингование обеспечивает минимальную шероховатость поверхности и цилиндричность отверстия до долей микрона. При выборе метода обработки отверстия предпочтение может быть отдано хонингованию по следующим причинам. Базой при хонинговании является обрабатываемое отверстие, т.е. не требуется создание в детали другой базовой поверхности и деталь не вращается. В то время как для шлифования или расточки отверстия необходимо закрепить и сориентировать деталь по отношению к инструменту, а для этого нужна другая база. А с появлением другой базы сразу появляются проблемы по обеспечению точности обработки, т.е. нужен прецизионный станок, специальное приспособление, а также достаточная жесткость системы «станок – приспособление – инструмент – деталь». Себестоимость обработки отверстия возрастает, т.к. возникают дополнительные затраты на изготовление приспособления и амортизацию дорогостоящего прецизионного станка. При хонинговании инструмент оказывает на обрабатываемую поверхность несоизмеримо меньшее удельное давление, чем при шлифовании, и поэтому структура поверхностного слоя подвержена меньшим изменениям. Незначительное удельное давление позволяет обрабатывать тонкостенные детали с высокой точностью.

При хонинговании в зоне резания температура неизмеримо меньше, чем при шлифовании, что также имеет меньшее влияние на структуру поверхностного слоя. При хонинговании происходит автоматическое исправление отклонений от- верстия от правильной геометрической формы, что позволяет получить более точное отверстие, чем при шлифовании.

За счет более широкой номенклатуры хонинговальных брусков по сравнению со шлифовальными кругами имеется возможность точнее решить задачу по достижению технических требований.

При хонинговании возможно создание определенного микрорельефа поверхности, а именно: необходимый угол встречи рисок, определенное соотношение опорных поверхностей и впадин (плосковершинное хонингование), вскрытие графитовых зерен в чугуне и достижение наименьшей шероховатости поверхности. Все это недостижимо при шлифовании или расточке.

Оппоненты могут возразить, что хонингование невозможно при малых соотношениях длины и диаметра отверстия, например, центрального отверстия дисковых пил. Но такие детали можно хонинговать в пакете из 10-и и более деталей. При этом выигрыш в производительности очевиден.

Есть группы деталей, которые подлежат только хонингованию, например, цилиндры штанговых насосов, у которых соотношение длины и диаметра отверстий 100 и более. При обработке цилиндров в блоках авто- мобильных двигателей хонингованию также нет альтернативы, т.к. требуется создание определенного микрорельефа маслоудерживающей поверхности и вскрытие графитовых зерен.

Итак, если мы выбрали хонингование и перед нами стоит задача получить максимально возможную точность отверстия по овальности, конусности и прямолинейности, то мы должны обеспечить соответствующие нашей задаче условия.

Условие первое. Хорошо подготовленный, выхоженный инструмент. Это значит, что все части хонинговального инструмента, на- ходящиеся в соприкосновении с поверхностью обрабатываемого отверстия, должны по всей длине прилегать к поверхности отвер- стия и быть максимально параллельными друг к другу. Это достигается выхаживанием хонинговального инструмента специальными втулками из чугуна или стали, имеющими диаметр отверстия, равный окончательному диаметру обрабатываемой детали.

Условие второе. Чистая СОЖ. СОЖ или хонинговальное масло должно быть чистое, обеспечивающее максимальное вымывание из зоны резания шлама из остатков абразива, связки и материала детали. СОЖ должна обильно омывать зону резания и охлаждать деталь до комнатной температуры. СОЖ должна быть хорошо очищена. Наилучшим способом очистки СОЖ является турбосепарация с охлаждением до заданной температуры. Другие виды очистки: фильтрация через фильтратрон, магнитная сепарация или очистка бесконечной бумажной лентой – все-таки пропускают твердые частицы шлама размером до 5 микрон. А наша задача – обеспечить точность отверстия в один микрон и лучше.

Условие третье. Оптимальное усилие давления бруска на обрабатываемую поверхность. Необходимо поймать режим, при котором идет удовлетворительное резание при минимальном давлении бруска на поверхность отверстия.

Условие четвертое. Оптимальный зажим обрабатываемой детали в удерживающем приспособлении. Это условие особенно касается тонкостенных деталей. Здесь надо соблюдать правило: «Держать как воробушка, чтобы не задушить, но и не упустить». Приспособление для удержания детали от проворота и от осевого перемещения не должно деформировать деталь и одновременно должно компенсировать деформацию детали от воздействия на нее хонинговального инструмента.

Пример из практики. Достаточно толстостенная втулка была зажата в трехкулачковый патрон. Конечно, никто не мерил профиль отверстия в зажатом состоянии. По окончании обработки отверстие промерялось нутромером. Этот прибор показал, что отверстие находится в пределах допуска. Но при «проливке», а это была втулка золотниковой пары, испытания показали, что зазор в паре – выше допустимого. В результате поиска причины стало ясно, что при зажиме в трехкулачковый патрон отверстие получает деформацию в форме треугольника. В процессе хонингования отверстие становится круглым, но при изъятии детали из патрона оно вновь принимает треугольную форму. К сожалению, и это знают метрологи, обычным нутромером, у которого одна измерительная точка и две центрирующие точки, определить деформацию в форме треугольника или другого правильного многоугольника практически невозможно. Но при замере профиля отверстия на кругломере четко обозначилась треугольная форма. Проблема была решена применением цангового зажима.

Условие пятое. Точная предварительная обработка. Особенно это относится к прямолинейности оси отверстия. С овальностью и конусностью справиться при хонинговании гораздо проще, чем с непрямолинейной осью. Точность предварительной обработки опре- деляет величину припуска на окончательную обработку. Если отклонение по овальности и конусности составляет 5-7 микрон, то на величину припуска достаточно 6-8 микрон. Если же ось отверстия имеет искривление 5-7 микрон, то требуется припуск не менее 10-15 микрон. Для правильного определения оптимальной величины припуска рекомендуется проверить на измерительной машине хотя бы одну деталь из партии.

Все перечисленные условия достижения максимальной точности являются необходимыми и равными по значимости. При соблюдении всех указанных условий можно обеспечить точность отверстия в пределах 1-0,5 микрон в серийном производстве простых деталей. К простым деталям относятся такие, у которых соотношение диаметра отверстия к его длине находится в пределах 0,5-10. Само отверстие – гладкое, сквозное или глухое, с канавкой для выхода инструмента не менее 3-х мм, с толщиной стенки, обеспечивающей достаточную стойкость детали к деформациям от воздействий инструмента и приспособления. Другие, более сложные детали, требуют индивидуального подхода для достижения максимальной точности. Для тонкостенных деталей – это создание приспособления, которое будет компенсировать деформацию детали. Для деталей с тандемными отверстиями – это индивидуальная подготовка инструмента, обеспечивающая симметричные перебеги относительно каждого из тандемных отверстий. Для деталей с относительно большими периферийными отверстиями или с широкими канавками, например шпоночными, требуется создание специальных инструментов, обеспечивающих непроваливание бруска в эти канавки или отверстия. В производственной практике встречаются случаи, когда для достижения требуемой точности необходимо изменить технологическую цепочку изготовления детали или даже изменить конструкцию детали.

Пример из практики.

– Втулка из чугуна с переменным наружным профилем и гладким отверстием. По результатам замеров непосредственно после хонингования точность отверстия – в пределах допуска. При повторном замере через 2-3 дня овальность и конусность превышают допустимые предельные отклонения. Для решения проблемы пришлось ввести в технологическую цепочку операцию «искусственное старение».

– Гладкая толстостенная втулка, в середине два боковых перекрещивающихся отверстия. В результате термообработки деталь деформируется в виде углового изгиба с вершиной угла в зоне перекрестья боковых отверстий. Все попытки путем хонингования достичь точности центрального отверстия в 1 микрон оказались тщетными. Деталь как пружина возвращается к первоначальному изгибу. В данной ситуации выход может быть только в изменении конструкции с заменой сплошной термообработки на поверхностное упрочнение.

2.4 Суперфиниширование

Суперфиниширование - шлифование при малом съеме металла (10-12 мкм на диаметр), для достижения шероховатости 0,16-0,02 мкм. Процесс осуществляется при малых окружных скоростях изделия (8-40 м/мин.), малых давлениях мелкозернистых брусков (1,5-3 кгс/см2) при их колебательном движении с частотой от 500-600 до 2000-3000 двойных ходов / минуту с амплитудой 2-5 мм. При суперфинишировании полностью удаляется волнистость, уменьшается огранка, удаляется дефектный поверхностный слой металла. После суперфиниширования формируется упрочненный поверхностный слой без структурных изменений, что улучшает эксплуатационные свойства деталей, работающих в условиях трения, скольжения или качения. Рабочим инструментом является абразивная головка с одним - четырьмя абразивными брусками;

Суперфиниширование применяют для уменьшения шероховатости поверхности, оставшейся от предыдущей обработки. При этом изменяются высота и вид микровыступов, обработанная поверхность имеет сетчатый рельеф, а каждый микровыступ округляется и поверхность становится очень гладкой. При работе возникают более благоприятные условия взаимодействия трущихся поверхностей.

Рисунок 2.1 – Схема отделки суперфинишированием

Суперфинишированием обрабатывают плоские, цилиндрические (наружные и внутренние), конические и сферические поверхности из закаленной стали, реже из чугуна и бронзы. Поверхности обрабатывают абразивными брусками, устанавливаемыми в специальной головке. Характерным для суперфиниширования является колебательное движение брусков наряду с движением заготовки. Процесс резания происходит при давлении брусков (0,5–3,0)·10⁵ Н/м² и в присутствии смазки малой вязкости. Схема обработки наружной цилиндрической поверхности приведена на рис. 7.10. Плотная сетка микронеровностей создается сочетанием трех движений: вращательного S_кр заготовки, возвратно-поступательного S_пр и колебательного брусков со скоростью V. Амплитуда колебаний брусков составляет 1,5–6,0 мм, а частота 400–1200 колебаний в минуту. Движение S_пр ускоряет процесс съема металла и улучшает однородность поверхности. Бруски, будучи подпружиненными, самоустанавливаются по обрабатываемой поверхности.

Доводка и притирка - абразивная обработка свободным абразивным зерном в виде суспензии и паст, так и специальными доводочными кругами и шаржированными притирами, обеспечивающая шероховатость 0,160-0,08 и выше, а так же высокую точность их размеров и формы (первый класс и выше).

а) круглое наружное шлифование с продольной подачей; б) круглое наружное шлифование врезанием; в) бесцентровое шлифование; г) круглое внутреннее шлифование; д) плоское шлифование периферией круга; е) плоское шлифование торцом круга

Рисунок 2.2 – Схема основных видов шлифования

• Направление вращения шлифовального круга;

• Вращение шлифуемой детали;

• Направление прямолинейного возвратно-поступательного движения детали;

• Направление поперечного перемещения шлифовального круга;

• Опорный нож при бесцентровом шлифовании;

• Направление вращения подающего круга.