Абразивная обработка заготовок

Основана на использовании абразивных инструментов. Абразивные инструменты бывают со связанными абразивами (зернами) (шлифовальные круги, головки, бруски, ленты, сегменты) и в виде свободных (несвязанных) зерен (пасты, суспензии, порошки). Абразивные инструменты характеризуются: материалом зерен, их величиной, видом связки, твердостью, структурой, формой и размерами.

Абразивный материал – это материал, частицы которого представляют собой монокристаллы, поликристаллы или их осколки, имеют острые грани, обладают высокой твердостью и способностью резания и царапания.

Абразивные материалы делятся на искусственные (синтетические) и естественные (природные). Для изготовления абразивных инструментов используются главным образом искусственные материалы:

1) Электрокорунд (Н_μ = 18,6…23 ГПа, ρ = 3,93…4,01 г/см³).

В зависимости от примесей может иметь разный цвет (основа – кристаллы Al₂O₃). Марки: 12А…16А – электрокорунд нормальный (91…96% Al₂O₃); 22А…25А – электрокорунд белый (97…99% Al₂O₃); 32А…34А – хромистый; 37А – титанистый; 43А…45А – монокорунд (отдельные кристаллы Al₂O₃ ).

У электрокорунда марок 32А…34А, 37А и 43А…45А – более прочные зерна, высокие режущие свойства; применяют такие электрокорунды для обработки жаропрочных сплавов.

2) Карбид кремния SiC – получают при плавке кварцевого песка и кокса. Твердость 32…35 ГПа.

Имеет две разновидности (марки): 53С…55С – черный карбид кремния, содержащий 95…99% SiC и 63С…64С – зеленый карбид кремния, содержащий 98…99% SiC.

Недостаток карбида кремния – высокая хрупкость и малая прочность. Применяют карбид кремния в основном для обработки хрупких материалов – чугуна, бронзы, титановых сплавов – и для заточки твердосплавного инструмента.

3) Карбид бора В₄С. Твердость 39…44 ГПа. Имеет большую хрупкость, поэтому применяется в виде порошков при доводочных процессах и при ультразвуковой обработке хрупких материалов.

4) Синтетические алмазы. По твёрдости синтетические алмазы делятся на пять марок: АС2 (обычной прочности), АС4 (повышенной прочности), АС6, и монокристальные АС15 и АС20.

5) Кубический нитрид бора (КНБ) – эльбор. Применяют двух марок: обычной прочности (ЛО) и повышенной прочности (ЛП).

Зернистость. Абразивные зерна электрокорунда и карбида кремния по размеру разбиты на четыре группы, включающих 26 номеров зернистости:

2) Шлифзерна. В эту группу входят номера от 20 до 16, показывающие размер зёрен в десятках микрометров, т.е. шлифзерно с номером 200 имеет средний размер 2000 мкм.

3) Шлифпорошки. В эту группу входят номера от 12 до 3. Номер шлифпорошка также показывает размер зёрен в десятках микрометров, т.е. шлифпорошок с номером 12 имеет средний размер 120 мкм.

4) Микропорошки. В эту группу входят номера от М63 до М14. Число после буквы «М» показывает размер зёрен в микрометрах.

5) Тонкие микропорошки. В эту группу входят микропорошки с номерами от М10 до М1 и размером зёрен соответственно от 10 до 1 мкм.

Алмазные зерна делятся на две группы: шлифпорошки ( от 630/500 до 50/40 ) и микропорошки (от 60/40 до 1/0).

Порошки эльбора делятся на 3 группы: шлифзерна (ЛО 315/250…ЛО 200/160); шлифпорошки (ЛО 160/125… ЛО 50/40) и микропорошки (ЛП 40/28…ЛП 5/3).

Числитель дроби в маркировке алмазных зёрен и эльбора показывает наибольший размер основной фракции (мкм), а знаменатель – наименьший размер зёрен основной фракции.

Различают шлифование и отделочные виды обработки.

Шлифование – процесс обработки материала резанием, при котором режущим инструментом является шлифовальный круг или шлифовальные сегменты.

Шлифованием можно производить чистовую обработку деталей с высокой точностью (6…8 квалитет), обеспечивая шероховатость от R_a0,3 до R_a1,6, из самых разных материалов. А для обработки закаленных сталей – шлифование наиболее распространенный метод.

Шлифовальные круги характеризуются материалом зерен, их зернистостью (величиной), видом связки, твёрдостью, структурой, формой и размерами.

При изготовлении абразивных инструментов (шлифовальных кругов, брусков, лент) абразивные зерна соединяются в одно целое с помощью

связующих веществ (связки). Связки делятся на неорганические (керамические), органические (бакелитовые и вулканитовые) и металлические.

Керамическая связка маркируется буквой «К»,состоит из огнеупорной глины, полевого шпата, талька, мела, кварца и жидкого стекла. Достоинства керамической связки: высокая прочность, водостойкость и жаропрочность, может работать с СОЖ. На керамической связке изготавливают большую часть кругов.

Основа бакелитовой связки – синтетическая (фенолформальдегидная) смола. Маркируется буквой «Б» Инструмент на бакелитовой связке прочен, эластичен. Недостаток инструмента на бакелитовой связке – низкая теплостойкость (не работают при температурах выше 180 ºС). Инструмент на этой связке применяется для чистовых и отделочных операций.

Вулканитовая связка – это резина. Маркируется буквой «В». Круги на вулканитовой связке – очень прочны, упруги, но теплостойкость – низкая. На этой связке изготавливают очень тонкие (отрезные) круги.

Основа металлических связок – металлические порошки (меди, олова, алюминия) с наполнителями (электрокорунд или карборунд). В маркировке присутствует буква «М», которая стоит на первом месте. Применяются преимущественно для алмазных кругов, так как металлические связки прочнее удерживают зерна, и режущие свойства алмаза проявляются полнее.

Твердость абразивного инструмента – способность связки сопротивляться вырыванию абразивных зерен с поверхности инструмента под действием внешних сил. Имеется семь классов твердости: мягкий (М1, М2, М3), среднемягкий (СМ1, СМ2), средний (С1, С2), среднетвердый (СТ1, СТ2, СТ3), твердый (Т1, Т2), весьма твердый (ВТ1, ВТ2), чрезвычайно твердый (ЧТ1, ЧТ2).

Твердость круга должна быть оптимальной: круг повышенной твёрдости (против оптимальной) быстро засаливается, а пониженной твердости – быстро изнашивается. Твердые круги применяют при шлифовании мягких материалов, а мягкие – при шлифовании твердых. Исключение для вязких материалов, таких как медь, свинец: их шлифуют мягкими кругами, так как эти материалы очень засаливают круг.

Структура абразивного круга характеризует процентное содержание абразивных зерен. Всего 21 номер структур (0…3 – плотные, 4…6 – средние и т.д.). Больший номер отвечает большей пористости круга и меньшим содержанием абразивных зёрен. Нулевая структура соответствует 62 % (по объёму) абразивных зёрен в круге. Каждый последующий номер уменьшает на 2 % объёмное содержание абразивных зёрен.

Типаж шлифовальных кругов – в зависимости от назначения шлифовальные круги изготавливают различной формы (около 2-ух десятков форм).

Допустимая скорость вращения кругазависит от абразивного материала, связки, вида обработки и обозначается в маркировке круга. Если специальных обозначений нет, то для керамической и бакелитовой связок допустимая скорость равна 35 м/с, для кругов на вулканической связке – 40 м/с.

Маркировка кругов включает в себя основные их характеристики, например: 14А 25 СМ6К5; ПП250 16 32; 35 м/с. Расшифровывается следующим образом: 14А – вид абразива (электрокорунд), 25 – зернистость абразива, на шлифовальных кругах зернистость обозначают в сотых долях миллиметра, т.е. средний размер зёрен 0,25 мм, СМ – степень твёрдости, 6 – номер структуры, К5 – вид связки, ПП – форма круга (плоский прямой), 250 16 32 – размеры круга в мм (наружный диаметр, ширина, диаметр отверстия), 35 м/с – допустимая скорость вращения.

Главное движение при шлифовании – вращение круга. Скорость главного движения (скорость резания) определяется по формуле:

, м/с,

где D – диаметр круга, мм; n – частота вращения круга, об/мин.

Движение подачи – движение заготовки или инструмента вдоль или вокруг координатных осей. Также как и при фрезеровании различают попутное (более предпочтительное) и встречное шлифование. Подача – величина перемещения заготовки или инструмента вдоль или вокруг координатных осей за условный период времени. Размерность подачи определяется схемой шлифования.

Глубина резания – толщина слоя (мм) материала, срезаемого за один ход.

Особенность шлифования – одновременное резание многими зернами, каждое из которых имеет 2 – 3 режущих лезвия со своими угловыми параметрами, причем передний угол γ, как правило, отрицательный. Радиус округления режущих кромок зерен очень мал, поэтому в совокупности абразивные зерна способны срезать очень тонкие поверхностные слои. Толщина стружек варьируется от 0,01 до 0,0001мм, и их размеры сильно отличаются друг от друга. Скорость деформирования очень высока(до 10⁷ с^-1). Снятие припуска идет с большим выделением теплоты – в отдельных зонах температура достигает 1500 ºС. Примерно 3…5 % теплоты уносится стружкой, 9…13 % передается кругу, а основная часть нагревает изделие (до 84 %). Это означает, что в поверхностных слоях заготовки при шлифовании могут происходить структурные превращения. Поэтому при шлифовании обязательно применение СОЖ, при этом снижается температура и повышается качество поверхности. Чем больше износ зерен круга, тем выше температура заготовки.

Основные типы станков шлифовальной группы и реализуемые схемы шлифования.

1) Кругошлифовальные станки служат для обработки наружных поверхностей изделий, являющихся телами вращения. Работают по схеме круглого внешнего шлифования работают.

Шлифование на круглошлифовальных станках осуществляется тремя методами:

а) По методу продольной подачи (рис.4.34). Главное движение – вращение шлифовального круга. Различают следующие движения подачи:

· вращение обрабатываемого изделия , м/мин, где d – диаметр изделия, n_з – частота вращения заготовки, об/мин. Обычно V_з = 10…20 м/мин; = 1/100.

· поступательное движение заготовки вдоль оси, т.е. с продольной подачей. Продольная подача (мм/об) вычисляется по формуле , где В – ширина круга, мм; при черновой обработке k = 0,4…0,8, при чистовой – k = 0,2…0,4.

· поперечное периодическое перемещение шлифовального круга перпендикулярно оси заготовки. Поперечное периодическое перемещение круга S_п = t, т.е. определяет глубину резания за один продольный ход стола. S_п = 0,01…0,025 мм/ход. При чистовом шлифовании S_п = 0,005…0,015 мм/ход.

Рис.4.34. Шлифование по методу продольной подачи.

Продольные ходы без поперечной подачи, т.е. S_п = 0, применяются для повышения точности и чистоты поверхности и называются «выхаживанием».

б) Методом бесцентрового шлифования (рис.4.35). Производится на станках бесцентрового шлифования с продольной подачей заготовки без её закрепления.

Для лучшего контакта с деталью поверхность ведущего круга представляет собой однополостный гиперболоид: .

Рис.4.35. Схема бесцентрового шлифования.

Скорость вращения ведущего круга V_вед = 10…90 м/мин. Ось ведущего круга наклонена к оси заготовки под углом α, поэтому скорость V_вед можно разложить на две составляющие V_кас и V_s. Составляющая V_кас придаёт заготовке вращательное движение со скоростью V_з = V_кас. Составляющая V_s обеспечивает продольную подачу заготовки S.

Для чернового шлифования угол α = 2…5º, а для чистового шлифования α = 1…2º. Чем больше угол α, тем больше продольная подача.

Необходимое условие осуществления резания: , где P_z – сила, действующая со стороны шлифующего круга на заготовку, равная силе резания, Т_у – сила трения заготовки о поверхность упора, Т_кр – сила трения покоя между заготовкой и поверхностью ведущего круга, r – радиус заготовки. Таким образом, должно выполняться . В противном случае резания не будет.

Преимущества бесцентрового шлифования. а) Можно шлифовать цилиндрические изделия длиной до 15м. со сквозной подачей или до упора (ступенчатые валы); б) Высокая производительность; в) Возможно шлифование деталей малого диаметра; г) Не требуется высокой квалификации станочника.

Применяется в массовом и крупносерийном производстве.

в) По методу врезания (рис.4.36). В этом методе отсутствует продольная подача, т.е. S = 0.

Главное движение – вращение круга со скоростью V. Движения подачи: вращение изделия V_з; поперечное перемещение круга с подачей S_п. Подача S_п = 0,2 мм за 1 оборот заготовки при черновом шлифовании, и S_п = 0,002…0,008 мм за 1 оборот заготовки при чистовом шлифовании.

Рис.4.36. Шлифование по методу врезания.

Основное технологическое (машинное) время при круглом шлифовании на станках с продольной подачей стола, когда поперечная подача осуществляется в конце каждого хода , мин. Где L – длина хода стола (мм), П – припуск на сторону (мм), n_з – частота вращения заготовки (об/мин), S – продольная подача, t – глубина резания. k – поправочный коэффициент на дополнительные проходы, которые нужны чтобы обеспечить необходимую точность шлифования (k = 1,2…2).

2) Внутришлифовальные станки служат для обработки внутренних цилиндрических и конических поверхностей (рис.4.37). При шлифовании отверстий в тяжелых и крупных деталях шлифование производиться на станках с планетарным движением шпинделя при неподвижной детали.

Рис.4.37. Схема внутреннего шлифования.

3) Плоскошлифовальные станки предназначены для обработки плоскостей (плоское шлифование). Шлифование может осуществляться по двум схемам:

а) периферией круга (рис.4.38). Этим методом обеспечивается наиболее высокая точность обработки; лучшие показатели качества поверхности. Заготовки закрепляются механически на плоской плиите или устанавливаются на магнитном столе. Можно обрабатывать тонкие детали;

б) плоское шлифование торцом круга (рис.4.39). В отличие от резания периферией круга здесь в резании участвует намного больше зерен, а значит, выделяется больше теплоты, поэтому возможны прижог и коробление тонких заготовок. Чтобы уменьшить выделение теплоты, часто используют сегментные торцовые круги с меньшей площадью контакта.

Рис.4.38. Плоское шлифование периферией круга.	Рис.4.39. Плоское шлифование торцом круга.

4) Заточные станки применяются для заточки режущих инструментов. Различают универсальные и специальные станки. Универсальные станки применяются для заточки сверл, резцов, зенкеров, фрез и т.д. Специальные – для заточки определённого вида инструмента.

Для многих ответственных деталей высокоскоростных и тяжело нагруженных машин предъявляются очень высокие требование к качеству поверхности, удовлетворить которым описанными методами не всегда удается. Поэтому требуется дополнительная отделочная обработка: тонкое обтачивание, тонкое растачивание, тонкое шлифование, полирование, притирка, хонингование, суперфиниширование, абразивно-жидкостная обработка: зубозакругление, зубошевингование, зубохонингование, зубошлифование, зубопритирка.

Хонингование – отделочная операция (рис.4.40) с помощью мелкозернистых абразивных брусков 2, закрепленных в хонинговальной головке – хоне 1 (рис.). Число брусков должно быть кратно трём. Применяется для отделки цилиндров 3 (см. рис.4.40), цилиндровых втулок ДВС и т.п. диаметром до 1000 мм и длиной до 30 м. Получают точность до 7-го квалитета, шероховатость от R_a0,3 до R_a 0,08. Припуск на обработку 0,01…0,2 мм. Хонингование создает специальную сетку микропрофиля на обрабатываемой поверхности, что очень важно для удержания смазочного материала. Применяют СОЖ, состоящую из смеси керосина (80..90 %) и масла (10…20 %). Хонингование устраняет овальность, конусность.

Суперфиниш – метод сверхтонкой отделочной обработки с помощью абразивных брусков 2, вмонтированных в специальную оправку 1 (рис.4.41). Можно обрабатывать поверхности вращения 3 (см. рис.4.39) и плоские поверхности. Отличительная особенность метода в том, что бруски совершают вибрационное движение с f = 50 Гц и амплитудой А = 2…5 мм вдоль обрабатываемой поверхности.

Главное движение – вращение детали со скоростью V = 3…30 м/мин. Движение подачи – медленное движение головки вдоль детали S = 1…5 м/мин. В начале обработки S/V = 0,25…0,25, в конце – 0,125…0,063. Припуск П = 0,003…0,01 мм. После суперфиниширования шероховатость поверхности соответствует R_a0,16…0,02. Суперфиниш, в отличие от хонингования, не исправляет отклонения формы заготовок. Назначение суперфиниша – получение поверхности с малой шероховатостью. Назначается для обработки роликов и колец подшипников, шеек распределительных и коленчатых валов, поршней, клапанов, калибров и т.п. Производится на специальных станках, а также на токарных и шлифовальных с применением специальных приспособлений.

Рис.4.41. Схема суперфиниширования.
а)	б)
Рис.4.42. Схема полирования на круге (а) и ленте (б).
Рис.4.40. Схема хонингования.	Рис.4.43. Схема притирки.

Полирование – процесс окончательной обработки поверхности мелкозернистым абразивом для уменьшения ее шероховатости. При этом шероховатость сводится до минимума, придавая деталям зеркальный блеск, параметр шероховатости R_z0,1…0,025. Подвергаются ответственные детали – дорожки колес подшипников, турбинные лопатки и т.п. – с целью повышения их сопротивления усталости и коррозионной стойкости, а также для декоративных целей (автомобилестроение). Обрабатывают поверхности с помощью полировочных паст или абразивными зернами, смешанными со смазочной жидкостью. Эти материалы наносят на быстро вращающиеся круги (рис.4.42, а), покрытые мягким войлоком, сукном, фетром, или на бесконечные абразивные ленты – шкурки (рис.4.42, б). В пасте и шкурке абразивные зерна сравнительно свободны, поэтому не способны оставить микроследы, значительно отличающиеся друг от друга. Наждак состоит из Al₂O₃ (25…30 %), Fe₂O₃ и силикатов, и имеет невысокие режущие свойства. При полировании применяются скорости до 50 м/с. В качестве абразива при полировании чугуна используют порошки электрокорунда и оксида железа; при полировании алюминия и меди – оксиды хрома и наждака. Пасты содержат следующие составляющие: абразивный порошок, связующий материал (воск, парафин, жиры) и поверхностно-активные вещества (стеариновая, олеиновая кислоты). В зоне полирования происходит тонкое резание, пластическое деформирование поверхностного слоя и химические реакции (воздействие поверхностно-активных веществ на поверхность). Качество и эксплуатационные свойства поверхности зависит от того, какой из этих процессов преобладает.

Притирка – окончательная обработка заготовок мелким абразивом с целью получения очень малой шероховатости поверхности и очень точных размеров (до 0,1 мкм), выполняемая с помощью притиров. Притир имеет форму, соответствующую форме детали (рис.4.43). Материал притира (медь, серый чугун, бронза, дерево) должен быть мягче материала детали, чтобы абразивные зерна вдавливались (шаржировались) в притир, а не в деталь. Абразивные материалы при притирке применяются те же, что и при полировании.

Наглядные учебные пособия, используемые на лекции:

· Плоское шлифование (плакат);

· Наружное круглое шлифование в центрах методом продольной подачи (плакат);

· Наружное круглое шлифование в центрах методом врезания (плакат).

Лекция № 13