Полирование деталей в среде шлифовального материала

Для отделочной обработки деталей из цветных металлов и незакаленных сталей применяют обработку путем погружения оправок с деталями, установленными на шпинделях, в камеру со шлифовальным материалом. Схема устройства приведена на рис. 12.10.

Рис. 12.10. Установка для полирования деталей в абразивной среде

На опорных стойках 1установлена рабочая камера, снабженная поддоном2, который отделен от полости камеры пористым материалом3(пористая керамика) с металлической мелкоячеистой сеткой. На оправках4с применением распорных втулок5устанавливают обрабатываемые детали6. Шлифовальным материалом 7 заполняют корпус камеры8. На поворотной крышке9смонтированы шпиндели10для установки оправок с деталями. Шпиндели посредством цепной передачи11соединены с приводным электродвигателем12. Поворот крышки производится пневмоцилиндром13.

Чтобы обеспечить погружение деталей на оправках в абразивный материал (шлифзерно F40…F30 марки 14А), перед закрыванием крышки в поддон подают сжатый воздух, который приводит шлифзерно в псевдоожиженное состояние. На время обработки подачу сжатого воздуха прекращают. Крышку запирают эксцентриковым устройством и включают приводной двигатель12, который через цепную передачу11передает крутящий момент на шпиндели. Абразивные частицы, соприкасаясь с поверхностью вращающихся деталей, производят их полирование. После окончания цикла обработки шлифзерно вновь приводят в псевдоожиженное состояние, поднимают крышку, производят смену деталей.

Время обработки деталей из алюминия составляет 2…4 мин в зависимости от окружной скорости вращения. Частота вращения шпинделей 1400 мин^–1. Шероховатость поверхности снижается сRa= 1,6 мкм доRa= 0,4 мкм.

Такой способ позволяет производить финишную обработку тонкостенных, нежестких деталей. Возможность многошпиндельной обработки обеспечивает достаточно высокую производительность полирования.

Однако при наличии у деталей двусторонних (верхних и нижних) торцевых участков, перпендикулярных оси вращения, не обеспечивается равномерное контактное давление шлифовального материала по профилю детали. Нижние торцевые плоскости будут обрабатываться менее интенсивно, так как вследствие торцевого биения поверхности абразивные частицы будут отбрасываться вращающейся деталью и часть профиля будет обработана с меньшей интенсивностью или вообще останется непрошлифованной.

Кроме того, этот способ не позволяет эффективно обрабатывать закаленные поверхности деталей, что обусловлено невысоким контактным давлением абразивных частиц на обрабатываемые поверхности, а следовательно, будет иметь место низкая интенсивность абразивного резания.

12. 2. Особенности процесса резания несвяэанным абразивным материалом

Форма абразивных частиц, их макро- и микрогеометрия, т.е. размеры выступов и впадин, радиусов округления вершин и углов режущих граней не являются величинами постоянными, а носят случайный характер и могут быть оценены лишь статистическими методами. Д. Б. Ваксером установлено, что классификация зернового состава абразива путем рассева с использованием сит позволяет оценить лишь один параметр – величину абразивного зерна в поперечнике – и не дает возможности установить его макро- и микрогеометрию, а также обеспечить одинаковую крупность зерен. Например, в абразиве зернистости F40, кроме частиц основной фракции, будут содержаться также частицы, соответствующие зернистости отF24 доF90.

Для оценки формы абразивных частиц примерно одной фракции с учетом радиусов контактных поверхностей был предложен в качестве критерия коэффициент формы k_ф:

,

где математическое ожиданиеМсоответственно для числа вершин, их радиусови диаметров окружностей, описанных вокруг контураи вписанныхв контур абразивных частиц.

Переход от пластического деформирования к резанию металла осуществляется при увеличении значений k_ф, т.е. когда велика вероятность контакта абразивной частицы по выступу с малым радиусом ρ кривизны. Установлено, что значенияk_фколеблются от 11 для обкатанных абразивных частиц до 100 для остроугольных частиц размерами 0,2 … 2 мм. Расчетные значения коэффициентаk_фприведены в табл. 12.1.

Таблица 12.1 – Характеристики формы абразивных частиц

Абразивный материал	Параметры формы частиц
				kф
Электрокорунд	12,94	7,73	160,65	98,6

Существует вполне определенное значение нормальной нагрузки Р_N на абразивное зерно, когда при определенном значенииk_фи прочностных свойствах материала детали происходит резание металла обрабатываемой поверхности. Степень закрепленности абразивных частиц также влияет на резание металла, но этот фактор имеет подчиненное значение, оказывая влияние в основном на интенсивность съема металла. Подчиненное значение этого фактора объясняется еще и тем, что при повышении нормальной нагрузкиР_Nна абразивные зерна соответственно повышается и степень их закрепленности с учетом взаимосвязи частиц абразивной массы.

Необходимо учитывать также, что положение абразивных зерен, контактирующих с обрабатываемой поверхностью в уплотненном слое, носит случайный характер. Поэтому сложно провести комплексный анализ всей совокупности частиц, контактирующих с обрабатываемой поверхностью при шпиндельной обработке. В связи с этим рассмотрим механизм диспергирования металла единичным абразивным зерном.

Исследованиями процесса микрорезания, выполненными И.В. Кра-гельским, Е.Н. Масловым, М.М. Тененбаумом, установлено, что при резании абразивной частицей происходят упругое и пластическое оттеснение и срез металла. Исследования Е.Н. Маслова показали, что режущие выступы абразивных зерен всегда округлены и поверхность округления в первом приближении может быть аппроксимирована сферой. При этом вершина зерна также имеет микро- и субмикровыступы, которые выполняют роль самостоятельных режущих элементов. Однако резание микро- и субмикровыступами вершин абразивных зерен при шлифовании, как правило, не учитывалось, так как его доля в общем объеме удаляемого металла пренебрежимо мала, кроме режима «выхаживания».

При относительном перемещении абразивной частицы и обрабатываемой поверхности детали происходят упруго-пластическое деформирование металла и возрастание сил, действующих на зерно. Условие перехода от упругого контакта к пластическому деформированию для твердых тел установлено И. В. Крагельским. Показано, что с ростом нормальной нагрузки Р_Nувеличивается глубина внедрения вершины абразивной частицы в поверхность металла и происходит переход к микрорезанию, начало которого можно определить по соотношениюh_д /ρ (h_д – глубина внедрения выступа абразивной частицы при относительном перемещении, когда появляется тангенциальная силаР_z).

Выполненные нами исследования и данные, приведенные в табл. 12.1, 12.2 и 12.3, показывают, что с уменьшением зернистости шлифовального материала интенсивность съема металла, при прочих равных условиях, должна возрастать. Однако экспериментальными исследованиями установлено, что даже при невысоких контактных давлениях, имеющих место при камерной обработке, предпочтительно использовать крупнозернистый шлифовальный материал. С увеличением зернистости возрастает съем металла и формируется меньшая шероховатость поверхности. Это свидетельствует о превалирующем влиянии на съем металла микро- и субмикровыступов абразивных зерен. Косвенно это подтверждает и большая, по сравнению со шлифованием, длительность цикла обработки, которая, как показали наши исследования, составляет 5…6 мин.

Таблица 12.2 – Средневзвешенные размеры абразивных частиц

Зернистость шлифовального материала	25	40	50	80	100	125
Средневзвешенный размер абразивных частиц za, мм	0,254	0,4	0,56	0,790	0,940	1,24

Таблица 12.3 – Расчетные значения внешнего давления

на абразивные частицы, достаточного для достижения микрорезания

Обрабатываемый материал	Твердость материала	Напряжения т, МПа	Напряжения , МПа	Коэффициент трения f	Коэффициент kт	Радиус округления вершины зерна , мкм	Внешнее давление ра, МПа
Сталь 45, нитроцементация, закалка	60...63 HRC	900	330	0,28	0,35	min	0,03033
						max	0,12134
Сталь 45, нормализация	183 HB	610	270	0,28	0,58	min	0,01466
						max	0,05864
Латунь ЛС 59-1	100 HB	400	180	0,25	0,58	min	0,00844
						max	0,03376

Впервые на съем металла выступами микро- и субмикрорельефа абразивных зерен указывал Е.Н. Маслов, но он подчеркивал, что при этом снимается стружка, в десятки и сотни раз меньшая по сравнению с вершиной зерна. Более подробно параметры субмикропрофиля, возникающего при правке шлифовального круга, были исследованы Л.В. Худобиным путем получения микрофотографий поверхности круга при больших увеличениях (10 000…30 000^Х) на электронном микроскопе. Анализ полученных микрофотографий показал, что расстояние между выступами субмикрорельефа шлифовального круга после правки составляет около 0,5 мкм, а высота микровыступов – приблизительно 0,1...0,2 мкм. Эти исследования показывают, что съем металла возможен при ничтожно малой глубине внедренияh_двыступа зерна в поверхность металла. Л.В. Худобиным показано, что именно выступы и впадины микропрофиля поверхности шлифовального круга являются первичными источниками зарождения очагов «засаливания» круга. При высоких температурах, характерных для шлифования, происходит адгезия частиц металла с абразивными зернами, что приводит к снижению производительности обработки и ухудшает качество поверхности. Для восстановления режущей способности круга необходимо сокращать время между правками, а это снижает срок службы шлифовальных кругов. Повышение эффективности съема металла при шлифовании путем уменьшения адгезионных процессов подтверждается исследованиями Н.И. Богомолова.

Подробные исследования микрорельефа свободных абразивных частиц впервые были выполнены П.И. Ящерицыным и А.Н. Мартыновым при разработке метода обработки деталей незакрепленным шлифовальным материалом. Установлено, что ширина выступов микрорельефа абразивных частиц составляет от 5 до 15 мкм, а высота от 2 до 8 мкм. Ширина и высота выступов субмикрорельефа соответственно имеют параметры 0,15…0,4 мкм и 0,05…0,2 мкм. Радиус округления вершин микровыступов составляет 0,1…0,5 мкм. Микро- и субмикрорельеф абразивных частиц обусловлен кристаллическим строением материала. Так, элементарной ячейкой для кристаллической решетки электрокорунда является острый ромбоэдр, а для карбида кремния – гексагональная призма. Исследования стойкости абразивных зерен на истирание показали, что наименьшей стойкостью обладают зерна из карбида кремния черного и зеленого, несмотря на их большую твердость. Особенно это проявляется при скоростях скольжения до 10 м/с.

При шпиндельной обработке преимущественно использовались свободные абразивные частицы с размерами зерен 0,4…0,5 мм (зернистость F40) из электрокорунда нормального или белого. Поэтому исследования микрорельефа этих зерен были выполнены по известной методике на сканирующем электронном микроскопеJSM–U3 в отраженном свете.

Наблюдение и микрофотографии поверхности абразивных частиц выполнялись при увеличениях 100^Х, 300^Х, 3000^Х. На рис. 12.11 и 12.12 приведены электронно-микроскопические снимки выступов абразивных зерен из электрокорунда нормального марки 14А и электрокорунда белого марки 24А, выполненные при увеличениях 100^Х и 300^Х. Микрофотографии свидетельствуют о наличии развитого микро- и субмикрорельефа поверхности. При этом грани электрокорунда белого (см. рис. 12.12,а) имеют более гладкую поверхность.

а) б)

Рис. 12.11. Электронно-микроскопические фотографии вершины абразивного зерна марки 14А40 при увеличениях: а) Х100; б) Х300

а) б)

Рис. 12.12. Электронно-микроскопические фотографии вершины абразивного зерна марки 24А40 при увеличениях: а) Х100; б) Х300

Более наглядно субмикрорельеф поверхности выступов этих же зерен просматривается на фотографиях (рис. 12.13), выполненных при увеличении 3000Х.

Электронно-микроскопические исследования позволили установить наличие микрорельефа на поверхностях всех исследуемых зерен. При этом микрорельеф имеет более развитый контур на вершинах зерен и на участках сопряжения граней кристалла, а плоскости граней могут иметь сравнительно гладкую поверхность. Исследования показали также, что для размеров частиц от 0,4 до 1,6 мм параметры микро- и субмикрорельефа практически не зависят от размеров зерен, а определяются кристаллическим строением абразивного материала.

а) б)

Рис. 12.13. Электронно-микроскопические фотографии вершины абразивных зерен при увеличении Х3000: а) электрокорунд нормальный 14А40; б) электрокорунд белый 24А40

Для разработки процесса шпиндельной обработки и оценки работоспособности абразивных частиц важно знать стойкость абразивных зерен и характер изменения рельефа поверхности зерен в процессе обработки.

Ранее выполненные исследования при центробежно-планетарной абразивной обработке показали, что на крупных абразивных зернах с размерами частиц от 1 до 2 мм в процессе обработки происходят существенное изменение микро- и субмикрорельефа зерен и образование рабочего микрорельефа по мере удаления исходного.

Следует отметить, что важной характеристикой абразивного зерна является его механическая прочность. Исследованиями прочности абразивных зерен, выполненными Н. И. Богомоловым, установлено, что предел прочности зерен из электрокорунда размером от 1 до 1,6 мм составляет 120…420 МПа, а предел прочности при статическом сжатии – 150…1950 МПа. При этом наибольшее значение величины нормальной силы РN в момент разрушения зерна достигает 10...30 Н, а при статическом вдавливании – 60…300 Н.