16.3. Формирование обработанных поверхностей при шлифовании связанным абразивом

На наружных круглошлифовальных станках шлифовальный круг обычно совершает только одно движение – вращение вокруг своей оси, являющееся главным движением резания . Движения всех видов подач – продольной, поперечной и окружной – совершает обрабатываемая заготовка.

Процесс наружного круглого шлифования осу-ществляется в следующем порядке (рис. 16.8): 1) включается вращение шлифовального круга; 2) включается вращение обрабатываемой заготовки (движение окружной подачи ); 3) включается возвратно-поступательная подача заготовки; 4) после каждого двойного хода заготовки (из положения в положение и обратно) вручную осуществляется движение поперечной подачи заготовки до тех пор, пока шлифовальный круг и заготовка не придут в соприкосновение, о чем свидетельствует появление первых искр. Далее включается механизм автоматической поперечной подачи, который срабатывает, когда заготовка оказывается в исходном положении и в автоматическом режиме повторяются в последовательном порядке: первый двойной ход ( ), поперечная подача ( ), второй двойной ход ( ), поперечная подача и т. д., пока не будет срезан оставленный на шлифование припуск , т.е. , где - число двойных ходов на срезание припуска. После этого механизм автоматической поперечной подачи выключается.

В замкнутой технологической системе (станок – приспособление – инструмент – заготовка) всегда существуют упругие деформации, возникающие в результате действия сил резания. Под действием радиальной составляющей силы резания шпиндельная бабка упруго отжимается и припуск за рабочих ходов срезается не полностью. Чтобы срезать весь припуск, повысить точность обрабатываемого размера и уменьшить шероховатость шлифуемой поверхности, процесс шлифования продолжается с выключенным механизмом поперечной подачи. Такие дополнительные двойные ходы называются чистовыми или выхаживающими. Число таких дополнительных выхаживающих двойных ходов зависит от размера упругих деформаций системы и заданных параметров точности и шероховатости. Обычно .

Рис. 16.8. Последовательность движений при круглом

наружном шлифовании

Из рассмотренного выше видно, что при наружном круглом шлифовании во время двойного рабочего хода одновременно осуществляется три движения – главное движение резания , характеризуемое скоростью резания , движение окружной подачи с линейной скоростью точек на обрабатываемой заготовке и движение продольной подачи , характеризуемое скоростью перемещения заготовки вдоль оси при выполнении двойного хода. В момент окончания каждого двойного хода, когда заготовка находится в положении и выходит из контакта с шлифовальным кругом, осуществляется движение поперечной подачи на расстояние, равное глубине шлифования.

Суммирование трех движений ( , и ), одновременно действующих во время рабочего хода, определяет характер траектории результирующего рабочего движения каждого абразивного зерна режущей поверхности шлифовального круга относительно обрабатываемой поверхности. В случае наружного круглого шлифования траекторией результирующего движения является пространственная удлиненная эпициклоида. За один оборот шлифуемой заготовки каждое зерно режущей поверхности шлифовального круга совершает относительно обрабатываемой поверхности заготовки витков: , где и - соответственно частоты вращения круга и заготовки. Каждый из витков удлиненной эпициклоиды касается цилиндрической поверхности заготовки в точках, лежащих на винтовой линии с осевым шагом, равным продольной подаче .

В точках, где витки эпициклоиды касаются шлифуемой поверхности, начинаются рабочие циклы абразивного зерна, для которого эта удлиненная эпициклоида является траекторией результирующего движения резания. За рабочий цикл абразивное зерно вырезает очередную царапину по всей длине поверхности резания. Холостой цикл каждого абразивного зерна начинается в той точке удлиненной эпициклоиды, в которой она выходит из контакта с цилиндрической обрабатываемой поверхностью заготовки. Таким образом, царапины, оставляемые режущими зернами шлифовального круга при наружном круглом шлифовании на поверхности заготовки, по форме являются отрезками витков пространственной удлиненной эпициклоиды.

Рис. 16.9. Последовательность движений при круглом

внутреннем шлифовании

Внутреннее круглое шлифование ведется также на круглошлифовальных станках с использованием специальных шпинделей. Шлифовальные круги совершают только одно главное движение резания , количественно характеризуемое линейной скоростью точек его режущей поверхности. Все движения подач – продольной подачи , поперечной подачи и окружной подачи - совершает обрабатываемая заготовка.

Процесс внутреннего круглого шлифования, схематически изображенный на (рис. 16.9), осуществляется в том же порядке, что и процесс наружного круглого шлифования, причем полностью аналогичным является сочетание во время рабочего двойного хода трех одновременно осуществляемых движений – вращательных движений круга и заготовки и возвратно-поступательного движения заготовки вдоль оси . При внутреннем круглом шлифовании суммирование этих трех движений приводит к тому, что траектория результирующего движения каждого абразивного зерна режущей поверхности круга относительно обрабатываемой внутренней поверхности заготовки имеет форму удлиненной гипоциклиды. За один оборот заготовки каждое режущее зерно совершает по гипоциклоиде витков: , и столько же раз приходит в контакт с внутренней обрабатываемой поверхностью. Участки контакта, имеющие на внутренней обрабатываемой поверхности вид царапин, лежат на винтовой линии, шаг которой равен значению продольной подачи . По форме участки контакта являются отрезками витков пространственной удлиненной гипоциклоиды.

Плоское шлифование (рис. 16.10) ведется на плоскошлифовальных станках, на которых шлифовальный круг совершает два движения – вращательное движение вокруг своей оси, являющееся главным движением резания и характеризуемое скоростью резания , а также движение вертикальной подачи . Обрабатываемая заготовка совершает тоже два движения – возвратно-поступательное движение продольной подачи и возвратно-поступательное движение поперечной подачи .

Процесс плоского шлифования осуществляется в следующем порядке: 1) включается вращательное движение шлифовального круга ; 2) включается возвратно-поступательное движение продольной подачи и заготовка начинает перемещаться из начального положения в конечное положение и обратно; 3) после каждого двойного хода вручную заготовку перемещают на размер вертикальной подачи , пока круг не придет в соприкосновение с заготовкой (до появления искр); 4) включается механизм автоматической поперечной подачи; 5) включается механизм автоматической вертикальной подачи.

Далее процесс шлифования осуществляется при автоматически выполняемых движениях подач согласно схеме на (рис. 16.10). В исходном положении ( на фронтальной и на профильной проекциях) заготовка начинает свой первый возвратно-поступательный ход в точке 1. Пройдя со скоростью продольной подачи путь до конечного положения , заготовка совершает обратное движение с той же скоростью.

После завершения первого двойного хода автоматически включается движение поперечной подачи и заготовка перемещается из положения 1 в положение 2 и затем производится второй двойной ход , по завершении которого снова срабатывает механизм поперечной подачи. Аналогично совершаются все остальные двойные ходы, пока вся верхняя плоскость не будет прошлифована и заготовка не займет конечное положение в поперечном направлении.

Рис. 16.10. Последовательность движений при плоском

шлифовании

П

Рис. 16.13. Последовательность движений при плоском шлифовании

осле этого автоматически срабатывает механизм вертикальной подачи, и шлифовальный круг перемещается к обрабатываемой заготовке на размер глубины шлифования. Далее вновь за ряд двойных ходов (на рисунке и т. д.), чередующихся с поперечными подачами, производится повторная обработка плоскости заготовки, возвращающейся при этом в положение . Затем снова автоматически срабатывает вертикальная подача и, начиная с двойного хода , весь цикл обработки плоскости на заготовке повторяется. В такой последовательности продолжается плоское шлифование поверхности заготовки, пока за ряд повторных проходов не будет срезан весь припуск .

Как следует из описания схемы порядка выполнения движений (рис. 16.10) при выполнении каждого рабочего хода одновременно действует два движения – главное движение резания и движение продольной подачи . Суммирование этих двух движений, действующих в одной плоскости во время рабочего хода станка, приводит к тому, что каждое абразивное зерно, расположенное на режущей поверхности шлифовального круга, совершает относительно обрабатываемой поверхности результирующее движение по траектории, имеющей форму трахоиды. Входя в контакт с обрабатываемой поверхностью, каждое режущее зерно вырезает царапину по всей длине поверхности резания. Длина каждой царапины в первом приближении выражается уравнением , где D – диаметр круга, а угол контакта рассчитывается по уравнению . Все царапины, вырезанные абразивными зернами круга в процессе плоского шлифования, лежат в плоскостях вращения зерен и являются отрезками трахоидальных витков как траекторий результирующего движения абразивных зерен.

Качество обработанной поверхности для шлифования в значительной степени определяется режимами обработки.

Скорость шлифования. Под скоростью шлифования понимается скорость точек, расположенных на режущей поверхности шлифовальных кругов. Скорость шлифования, обычно выражаемую в м/с, рассчитывают по формуле:

, (16.1)

где D – диаметр круга, мм;

n – частота вращения шпинделя, об/мин.

Шлифовальные бабки на шлифовальных станках имеют только одну частоту вращения, назначаемую из условия, чтобы при вращении шлифовального круга с максимальным для данного типоразмера станка диаметром скорость периферийных точек круга не превышала 30 м/с. Этот предел ограничен механической прочностью шлифовальных кругов, выполненных на керамической связке. В процессе эксплуатации, по мере износа и повторных правок, диаметр D шлифовальных кругов постепенно уменьшается, что ведет к уменьшению скорости шлифования.

Шлифование со скоростями 30 м/c допустимо только при использовании кругов, выполненных на металлических связках, а также кругов на керамической связке, армированных специальными прокладками из высокопрочных полимеров или металлическими бандажами, заложенными в круги в процессе их изготовления. Скорость шлифования такими кругами может достигать 60 м/с и больше.

Эффективная мощность. На значение эффективной мощности при шлифовании влияет много факторов. Основными среди них являются физико-механические свойства обрабатываемых металлов, характеристики шлифовальных кругов и режимы шлифования. На основе обработки результатов экспериментальных исследований установлено, что при шлифовании конструкционных сталей, чугунов и высоколегированных сплавов затрачиваемая эффективная мощность в киловаттах для наружного и внутреннего круглого шлифования выражается зависимостью:

, (16.2)

где - продольная подача, мм/об;

- поперечная подача, мм/дв.ход;

- окружная подача, равная линейной скорости точек на обрабатываемой поверхности заготовки, м/мин;

B – ширина шлифовального круга, мм.

Для плоского шлифования:

, (16.3)

где - поперечная подача, мм/дв.ход;

- вертикальная подача, мм/ход;

- продольная подача, м/мин;

B – ширина шлифовального круга, мм.

Входящий в уравнения (16.2) и (16.3) коэффициент зависит от вида шлифования и диаметра шлифуемой заготовки , мм:

, (16.4)

где - коэффициент и n – показатель степени, зависящие от вида шлифования (табл. 16.2);

- коэффициенты, учитывающие твердость круга, ширину круга B , вид обрабатываемого материала (табл. 16.3).

Силы резания. При наружном и внутреннем круглом шлифовании, а также при плоском шлифовании силу резания можно разложить на три составляющие – касательную , радиальную и осевую . Третья составляющая мала ( ) и обычно в расчетах не учитывается.

Так как составляющая действует в направлении главного движения резания, то именно она определяет значение эффективной мощности , откуда

. (16.5)

Используя уравнение (16.3), (16.4) и (16.5), получаем для наружного внутреннего и круглого шлифования

,

а для плоского шлифования

.

При шлифовании радиальная составляющая силы резания всегда больше касательной составляющей . Отношение называется коэффициентом абразивного резания. Для различных обрабатываемых материалов коэффициент абразивного резания имеет следующие значения: сталь 45 - 0,36; быстрорежущая сталь Р9Ф5 - 0,38; твердый сплав Т15К6 - 0,45; чугун - 0,5; титановый сплав ВТ16 - 0,69.

Таблица 16.2

Значения и n в зависимости от вида шлифования

Вид шлифования		n
Круглое наружное с продольной подачей	0,0290	0,2
Круглое наружное с радиальной подачей	0,0184	0,2
Круглое внутреннее с продольной подачей	0,0322	0,3

Продолжение табл. 16.2

Бесцентровое с продольной подачей Бесцентровое с радиальной подачей Плоское шлифование периферией круга Плоское шлифование торцом круга

0,0329 0.0211 0,0879 0,1020

0,2 0,2 0 0

Таблица 16.3

_{Значения коэффициентов , и}

Твердость круга		Ширина шлифовального круга, мм		Обрабатываемый материал
М2, М3 СМ1, СМ2 С1, С2 СТ1, СТ2 СТ3, Т1	0,9 1 1,16 1,36 1,58	26…40 40…63 63…100	0,8 0,9 1	Серый чугун Сталь Термообработанная сталь Жаропрочная сталь	0,9 1 1,1 1,2

Крутящий момент на шлифовальном круге. Для осуществления процесса резания на шпинделе шлифовальной бабки необходимо обеспечить крутящий момент, преодолевающий силы резания. Из двух действующих при шлифова­нии составляющих силы резания на значение крутящего момента влияет только составляющая .

Крутящий момент для наружного и внутреннего круглого шлифования:

,

а для плоского шлифования:

,

где D - диаметр шлифовального круга.