Суперфиниширование и микрофиниширование.

Суперфиниширование – отделочный метод обработки наружных поверх-ностей мелкозернистыми абразивными брусками, совершающими колебательные движения с амплитудой 2...5 мм и частотой до 2000 двойных ходов в минуту.

Суперфиниширование применяют для отделочной обработки трущихся поверхностей, когда необходимо повысить их эксплуатационные свойства. Это достигается благодаря обеспечению малой шероховатости (Rа 0,05...0,6 мкм), уменьшению погрешностей формы до 0,3 мкм, нанесению на поверхность

оптимального микрогеометрического рисунка, сглаживанию верхушек мик­ронеровностей (увеличение площади фактической опорной поверхности).

К преимуществам суперфиниширования можно отнести простоту применяемого оборудования, возможность использования универсальных токарных или шлифовальных станков, головок-вибраторов, высокую производительность и простую автоматизацию процесса.

Сущность процесса состоит в микрорезании обрабатываемой поверхности одновременно большим количеством мельчайших абразивных зерен (до 10 000 зерен/мм²). При этом снимаются тончайшие стружки (до 0,01 мм), одновременно скорость съема металла достигает 1... 1,5 мкм/с. Большинство зерен не режет, а пластически деформирует металл – микронеровности сглаживаются, и поверхность получает зеркальный блеск.

По характеру прижима брусков в хоне различают два вида суперфиниширования (рисунок 2.40, а): кинематическое и силовое. При кинематическом суперфинишировании брусок 2прижимается к заготовке 3пневмоцилиндром или гидроцилиндром через пружину 1. В результате — затруднено исправление огранки и овальности обрабатываемой поверхности. При силовом суперфинишировании брусок прижимается к заготовке пневмоцилиндром или гидроцилиндром через жесткое промежуточное звено 4. Силовое суперфиниширование хорошо исправляет погрешности формы.

Рисунок 2.40 Суперфиниширование

Основными рабочими движениями (рисунок 2.40, б) являются вращение заготовки D_oкр, возвратно-поступательное (колебательное) движение бруска D_кол и движение продольной подачи D_прод. Иногда на брусок накладывают дополнительные ультразвуковые колебания, что позволяет увеличить скорость съема металла, и бруски самозатачиваются. Цикл обработки поверхности суперфинишированием складывается из времени удаления исходной шерохо­ватости Т₁ времени резания Т₂, времени перехода от резания к трению Т₃, времени полирования T₄. Как правило, Т₁ = (0,15...0,2)Tц; Т₂=(0,4...0,5) Tц; T₃= (0,2...0,25) Tц; Т₄= (0,2...0,25) Tц; Tц– время цикла обработки.

Наиболее распространенные схемы суперфиниширования: в центрах с продольным или поперечным движением подачи (рисунок 2.40, в), бесцентровое (рисунок 2.40, г), суперфиниширование плоских (рисунок 2.40, д) и фасонных (рисунок 2.40, е) поверхностей.

Развитием суперфиниширования является микрофиниширование, характеризуемое большими давлениями на брусок и жесткой фиксацией брусков, что значительно уменьшает погрешности предшествующей обработки.

Доводка-притирка.

Доводка (притирка) — отделочная операция, при которой съем металла с обрабатываемой поверхности производится абразивными зернами, свободно распределенными в пасте или суспензии, нанесенной на поверхность притира. Операция выполняется на малых скоростях и при переменном направлении рабочего движения притира. Эта наиболее трудоемкая отделочная операция позволяет получить шероховатость обработанной поверхности Rz0,01 ...0,05 мкм, отклонения формы — 0,05...0,3 мкм.

Различают доводку ручную, полумеханическую и механическую. Ручная доводка применяется в единичном и мелкосерийном производстве, а также при обработке деталей сложной формы. Точность и качество обработки зависят от квалификации рабочего. Высококвалифицированный специалист обеспечивает точность формы в пределах 0,5...2 мкм. Полумеханическая (машинно-ручная) доводка используется в мелкосерийном производстве. Ее выполняют при помощи электрических или пневматических доводочных приспособлений. Главное движение выполняется приспособлением, а движение подачи — от руки. Механическая притирка применяется в крупносерийном и массовом производстве на специальных притирочных станках.

Сущность доводки-притирки (рисунок 2.41, а) заключается в том, что химическое воздействие кислой среды пасты сочетается с механическим воздействием абразива. Абразивные зерна 4 находятся в составе связующей жидкости 5 между обрабатываемой поверхностью заготовки 1и притиром 3,

а – схема притирки; б – притирка наружных цилиндров; в – притирка внутренних цилиндров; г – притирка плоских поверхностей; д – доводочные плиты;

1 – заготовка; 2 – стружка; 3 – притир; 4 – абразивное зерно; 5 – связующая жидкость; 6 – подвеска; 7 – сепаратор; 8, 9, 10 – доводочные плиты для предварительной, чистовой, окончательной обработки соответственно;

D₁, D₂ – движения притира; F – сила прижима

Рисунок 2.41 Доводка-притирка

вдавливаются в поверхность притира, так как он выполнен из более мягкого материала, чем заготовка, и шаржируются в нем. При взаимном перемещении притира и заготовки абразивные зерна снимают тончайшие стружки 2. Под воздействием кислоты обработанная поверхность покрывается окисной пленкой. Вначале микронеровности соприкасаются с притиром по малой контактной площади. Срезаются окисные пленки с выступов микронеровностей. Этот этап характеризуется большими удельными давлениями и пластическим деформи­рованием выступов микронеровностей. С увеличением контактной площади давление уменьшается, снижается толщина снимаемого слоя. При этом снимаются только окисные пленки. Большую роль играет вязкость связующей жидкости. Толщина слоя жидкости между притиром и заготовкой должна быть меньше величины выступающих из притира режущих зерен. В качестве связующей жидкости используют машинное масло, керосин, стеарин, вазелин. Материалом для притира служит серый чугун, бронза, красная медь, твердые породы дерева. В качестве абразива используют порошки, микропорошки или субмикропорошки электрокорунда, карбида кремния, карбида бора, оксида хрома, оксида железа и др. В состав притирочных паст входят химически активные вещества: олеиновая или стеариновая кислота.

Притирка наружной цилиндрической поверхности (рисунок 2.41, б) заготовки 1 осуществляется притиром 3 в виде кольца с прорезями. Притиру сообщают возвратно-вращательное движение D₁ и возвратно-поступательное движение D₂. Возможно равномерное дополнительное вращение заготовки. Притирка осуществляется вручную или на металлорежущих станках. Аналогичные схема и движения применяются при притирке внутренних цилиндрических поверхностей (рисунок 2.41, в). В качестве притира используется разжимная втулка с прорезями. Плоские поверхности можно притирать вручную и на специальных доводочных станках (рисунок 2.41, г). Заготовки 1 устанавливаются между двумя чугунными дисками-притирами 3 в окнах сепаратора 7. Сепаратор относительно дисков установлен с эксцентриситетом 5... 15 мм. Диски-притиры имеют плоские поверхности и вращаются в разные стороны, верхний имеет самоустанавливающуюся подвеску 6, что обеспечивает строгую параллельность рабочих плоскостей дисков-притиров. При вращении дисков-притиров заготовки получают вращательное движение и дополнительное движение скольжения.

Эксцентричное расположение сепаратора обеспечивает дополнительное движение заготовок в радиальном направлении, что приводит к равномерному изнашиванию дисков-притиров. При ручной притирке плоских поверхностей используют доводочные плиты (рисунок 2.41, д) из серого перлитного чугуна твердостью НВ170... 230. Размеры плит выбирают в зависимости от габаритов заготовки, их рабочая поверхность выполняется с высокой геометрической точностью (например, допуск неплоскостности плит размером 250 х 250 х 400 мм 1...4мкм). Рабочая поверхность плит разбита на три участка: 8— предварительная, 9 — чистовая, 10 — окончательная доводка. Можно использовать три отдельные плиты (предварительную, чистовую, окончательную). С целью обеспечения равномерного изнашивания рабочих поверхностей плит при работе плиту перемещают круговыми движениями.

Полирование

Полирование — это заключительная операция механической обработки заготовки, выполняемая с целью уменьшения шероховатости поверхности и придания ей зеркального блеска. Полирование обеспечивает шероховатость поверхности Rа 0,02...0,16 мкм; Rz0,05...0,1 мкм.

Эта отделочная операция осуществляется механическими, химическими, электромеханическими и другими методами. Различают: полирование кругами; полирование лентами; абразивно-жидкостную обработку; виброабразивную обработку; магнитно-абразивную обработку.

Полирование мягкими абразивными кругами. Данный вид полирования применяется при декоративной окончательной отделке деталей или при подготовке поверхности под гальванические покрытия. В процессе полирования обрабатываемая поверхность заготовки под давлением прижимается к рабочей поверхности вращающегося абразивного круга. На рабочей поверхности закреплен слой абразива или нанесена полировальная паста. Обработка ведется на простых по конструкции станках, универсальных станках или с помощью ручных полировальных машин.

Промышленностью выпускаются лепестковые, эластичные, войлочные, тканевые, бумажные, фетровые, хлопчатобумажные, гибкие полировальные и другие виды полировальных кругов.

Лепестковые шлифовальные круги имеют диаметр 200 и 300 мм, ширину 40, 50 и 100 мм, посадочный диаметр 44,5 мм. Они различаются по способу крепления абразивных лепестков в ступице круга.

а — армированные неразборные; б — армированные разборные; в — торцевые;

г — безарматурные; 1 — фланец; 2 — лепесток; 3 — болт; 4 — ступица;

5 — планшайба; Н — высота лепестка

Рисунок 2.42 Лепестковые полировальные круги

Армированные неразборные круги с клеевым креплением лепестков (рисунок 2.42, а) предназначены для декоративно-полировальных работ. Круги состоят из двух штампованных фланцев 1 и приклеенных к ним (и между собой) лепестков 2. В качестве клея применяется композиция на основе эпоксидной смолы.

Армированные разборные круги с клеевым соединением лепестков и механическим креплением блока с арматурой (рисунок 2.42, б) применяются на универсальных плоскошлифовальных и круглошлифовальных станках. Круги состоят из алюминиевой ступицы 4, двух фланцев 1, стягивающих болтов 3 и

набора лепестков 2. Предварительную установку и крепление лепестков осуществляют при помощи кольцевых выступов фланцев, входящих в радиусные пазы лепестков. Лепестки связаны в единый блок при помощи композиции на основе эпоксидной смолы.

Торцевые лепестковые круги (рисунок 2.42, в) состоят из сборной планшайбы 5 и набора лепестков 2. Блок из лепестков закреплен в планшайбе при помощи композиции на основе эпоксидной смолы. Торцевой круг имеет угол поднутрения торца лепестков 8...10°. При установке круга лепестки разворачиваются в радиальном на­правлении в сторону вращения круга на этот угол.

Лепестковые круги диаметром до 500 мм можно изготавливать безарматурными (рисунок 2.42, г).

При выборе размеров лепестковых кругов необходимо учитывать, что увеличение диаметра и высоты лепестков повышает производительность круга, но требует более мощного и дорогого оборудования. Определяющее значение при выборе круга имеет высота лепестков Н. При коротких лепестках (соответственно большом диаметре ступицы) количество лепестков большое. Круг имеет высокую производительность, но лепестки более жесткие, и ухудшается качество обработки.

При чрезмерно большом числе лепестков повышается так называемая плотность круга, приходится уменьшать деформацию лепестков круга в радиальном направлении, а это отрицательно сказывается на производительности. При повышении угловой скорости круга и деформации лепестков повышается производительность обработки, но увеличивается тепловыделение. Разогревается клеевая основа лепестков круга, снижается прочность удержания абразивных зерен, и, как следствие, ухудшается качество и производительность обработки. Например, при полировании заготовки из стали 45 кругами диаметром 300 мм зернистостью 14А8 предельные режимы полировки следующие: деформация лепестков 0,85; скорость резания 40 м/с. Применение охлаждения позво­ляет повысить скорость резания. Для снижения шероховатости обработанной поверхности, уменьшения пылевыделения и увеличения стойкости круга лепестки пропитываются следующим составом (в весовых частях): пластичная смазка ПВК — 55, парафин — 40, графит — 5.

Войлочные круги обладают большой эластичностью, хорошо поддаются правке, достаточно прочно удерживают нанесенные на них абразивные порошки и пасты. Войлочные круги подразделяются на тонкие, полугрубошерстные и грубошерстные. Тонкие круги применяются при обработке ответственных деталей машин и приборов, полугрубошерстные — для полирования хирургических инструментов, деталей точных измерительных приборов, стекла. В остальных случаях применяются грубошерстные круги.

Наиболее распространены тканевые полировальные круги. Их изготавливают диаметром 150...500 мм, скорость резания составляет 80...85 м/с. Различают дисковые, непрошитые, секционные, наборные, прошитые и специальные круги. Непрошитые круги выполняются из отдельных слоев однородной ткани, склеенных под давлением. После затвердевания клея круг шлифуется и профилируется, затем пропитывается клеем или жидким стеклом и накатывается абразивным порошком. Секционные круги изготавливают из отдельных кусков материи, уложенных между двумя цельными матерчатыми дисками, которые прошиваются.

Бумажные полировальные круги выполняют из сшитых или спрессованных листов гладкой или гофрированной бумаги. Большая жесткость таких кругов позволяет получить шероховатость обработанной поверхности Rа1,25... 2,5 мкм.

Наиболее прогрессивным полировальным инструментом являются гибкие полировальные круги. От обычных абразивных кругов они отличаются большой эластичностью, высокой термостойкостью, механической прочностью. Они изготавливаются прессованием и вулканизацией смеси каучукосодержащих связок с абразивными зернами, не требуют обмазки клеем и накатки абразивом. Полировальные круги выполняют на гибкой вулканитовой (В5), бакелитовой с графитовым наполнителем (Б4), глифталевой (ГФ) и поливинилформалевой (ПФ) связках. Круги на вулканитовой связке изготавливают из нормального и белого электрокорунда, черного или зеленого карбида кремния, их зернистость — 40, 32, 35, 20, 16, твердость — ГВМ (гибкий весьма мягкий), ГМ (гибкий мягкий), ГС (гибкий средней твердости), ГТ (гибкий твердый). Бакелитовые круги изготавливаются из тех же абразивных материалов зернистостью М28, их твердость — М3. Глифталевые круги изготавливают из карбида кремния зернистостью 5, М40, М28, М20, М14, их твердость — С и СТ. Круги на поливинилформалевой связке изготавливаются из карбида кремния зернистос­тью 25, 20, 16, 12, 10, 8, 6.

Абразивные пасты и суспензии, применяемые при полировании, в основном изготавливаются по техническим условиям потребителей.

Полировочные пасты содержат мягкие абразивы: оксиды железа, хрома, алюминия, венскую известь, маршалит; зернистость — менее 1 мкм. По консистенции пасты подразделяют на твердые (Т) и мазеобразные (М), по концентрации — на повышенные (П) и нормальные (Н), по смываемости — на смываемые органическими растворителями (О), смываемые водой (В), смываемые органическими растворителями и водой (ВО).

В состав паст также входят плавкие связки, смазывающие вещества и поверхностно-активные вещества (ПАВ). В качестве связки используются стеарин, парафин, воск, олеиновая кислота, вазелин, свиной жир (лярд). Смазывающим материалом служат керосин, бензин, вода, трансформаторное или иные масла. В

качестве ПАВ обычно используется олеиновая или стеариновая кислота.

Наибольшее применение в промышленности получили пасты ГОИ (Государственного оптического института). Они оказывают на обрабатываемую поверхность одновременно и механическое, и химическое воздействие. Номер пасты соответствует ее абразивной способности.

Суспензии состоят из микропорошка и жидкости. В зависимости от условий обработки соотношение концентраций микропорошка и жидкости в диапазоне от 1:5 до 1:1. Приготовление суспензий достаточно просто: вначале смешивают жидкие компоненты (керосин, веретенное масло, стеарин), затем при непрерывном помешивании добавляют абразивный порошок.

Полирование лентами. К преимуществам этого вида полирования относятся постоянство скорости резания, возможность обработки больших и фасонных поверхностей, отсутствие необходимости в балансировке и правке инструмента, безопасность работы. Абразивные зерна могут работать в условиях жесткого закрепления (абразивная лента) или в режиме податливости (лента с нанесенной на ней абразивной пастой).

а — на свободной части ленты; б — с поджатием роликом; в — с поджатием копиром; г — с поджатием упругим элементом: 1 — лента; 2 — заготовка; 3 — копир; 4 — упругий элемент; д — бесцентровое; е — бесконечной лентой с поджатием; ж — бесконечной лентой на свободной части ленты

Рисунок 2.43 Полирование лентами

При ленточном полировании под воздействием нагрузок лента растягивается, что снижает производительность обработки. Поэтому, кроме высокой прочности на разрыв, лента характеризуется относительным удлинением и эластичностью. Высокоэластичные ленты (на мездровой основе) применяют для обработки труднодоступных мест и узких пазов.

В зависимости от требований к качеству обработанной поверхности и вида заготовки различают полирование заготовки2 на свободной ветви ленты 1 (рисунок 2.43, а), полирование с поджатием ленты 1 к обрабатываемой поверхности 2 роликом (рисунок 2.43, б, е), полирование с поджатием ленты 1 к обрабатываемой поверхности 2 специальным копиром 3 (рисунок 2.43, в) или упругим элементом 4 (рисунок 2.43, г), бесцентровое полирование (рисунок 2.43,д), полирование внутренних поверхностей труб бесконечной лентой (см. рисунок 2.43, е), полирование внутренних поверхностей на свободной ветви ленты (рисунок 2.43, ж).

Рисунок 2.44 Установка абразивно-жидкостной обработки

Вибрационная обработка в абразивной среде. Данный вид обработки используется для повышения производительности и качества отделочных операций. Главное движение резания осуществляют абразивные зерна, совершающие колебания под воздействием внешней возмущающей силы (вибраций). Схема установки для вибрационной обработки показана на рисунке 2.45. Заготовки 2 загружаются в контейнер 1, заполненный рабочей средой. Контейнер установлен на упругом 6 и жестком 5 основаниях. При вращении маховика 3с несбалансированным грузом 4контейнер 1 совершает колебательные движения в двух плоскостях.

Частота колебаний — 50... 180 кГц. При этом происходят колебания в двух плоскостях и медленное вращение всей массы рабочей среды заготовок. В рабочей среде детали расположены хаотично и занимают случайное положение, что обеспечивает равномерную обработку всех поверхностей. Большое количество микроударов поддерживает заготовки во взвешенном состоянии, исключая образование грубых забоин и повреждений. Обработка может протекать всухую или с подачей жидкого раствора, который обеспечивает удаление продуктов из­нашивания, равномерное распределение заготовок по объему кон­тейнера и химико-механический процесс съема металла.

В состав рабочей среды входят:

твердый наполнитель в виде абразивных зерен (абразивная крошка, шлифовальное зерно, галька, известняк, гранит и т.п.), состав и зернистость которого зависят от вида обработки и требований к качеству обработанной поверхности;

неабразивные материалы (предметы различной формы из ме­талла, древесины, войлока, кожи, резины). При полировании всухую используются войлочные, фетровые или кожаные материалы со слоем пасты и введением химических веществ, интенсифицирующих процесс. Наносятся паста ГОИ, пасты из порошков (оксид хрома, крокус, венская известь и др.), растворенных в ке­росине, скипидаре, водном растворе аммиака;

жидкий наполнитель с моющими, разделительными, травящими, пассивирующими, блескообразующими и другими добавками. При обработке за­готовок из черных металлов использу­ется мыльный или мыльно-содовый раствор с добавкой 0,5...1 % олеиновой кислоты, при обработке заготовок из меди и медных сплавов — водный раствор зеленого мыла со стеариновой кислотой, при сухой обработке — сжатый воздух.

1 – контейнер; 2 – заготовка; 3 – маховик;

4 – груз; 5 – жесткое основание; 6 – упругое основание

Рисунок 2.45 Установка для виброабразивной обработки

Вибрационное полирование производится последовательно в нескольких различных рабочих средах. Например, при обработке заготовок из конструк­ционных сталей и чугуна применяется следующий технологический маршрут:

черновое шлифование. Рабочая среда: обкатанные куски шлифовальных кругов зернистостью 10 — 60, твердостью ВТ, крупностью 25... 30мм, 20%-ный раствор кальцинированной соды. Режимы обработки: частота колебаний 9... 12кГц, амплитуда 5... 6мм. Время обработки 120... 300мин с промывкой 2%-ным содовым раствором;

чистовое шлифование. Рабочая среда: абразивная крошка, бой керамических кругов из электрокорунда, карбида кремния зернистостью 4—8, твердостью ВТ—ЧТ, крупностью 25...30 мм. Контейнер заполняется рабочей средой на 50%, закладываются заготовки на 75% объема контейнера. Режимы обработки: частота колебаний 12 кГц, амплитуда 4 мм. Время обработки 120... 300мин с промывкой 2%-ным содовым раствором;

полирование. Рабочая среда: абразивная крошка, бой керамических кругов из белого электрокорунда, зеленого карбида кремния, зернистостью М28, твердостью ВТ—СТ, крупностью 25...30мм. Контейнер заполняется рабочей средой на 50%, закладываются заготовки на 75% объема контейнера. Режимы обработки: частота

колебаний 12кГц, амплитуда 2,5...3мм. Время обработки 120...300мин с промывкой 2%-ным содовым раствором;

окончательное полирование. Рабочая среда: войлочные пыжи и обрезки отходов войлочных кругов размерами 10 х 10мм, шаржированные порошком абразива. Контейнер заполняется рабочей средой на 60%, закладываются заготовки на 75% объема контейнера. Режимы обработки: частота колебаний 12кГц, амплитуда 2,5...3мм. Время обработки 120...300мин до получения зер­кального блеска.

Магнитно-абразивное полирования. Данному виду обработки подвергаются плоские, цилиндрические или фасонные поверхности заготовок из магнитных и немагнитных материалов. За 10...40с достигается шероховатость обработанной поверхности Rа 0,032... 0,2мкм, исправляются погрешности геометрической формы.

Сущность магнитно-абразивной обработки заключается в следующем. Заготовкам, помещенным в магнитное силовое поле, сообщают вращательное движение вокруг оси и осциллирующее движение вдоль оси. Возбуждаемый в сердечниках электромагнита поток пронизывает заготовки в диаметральном направлении. В контейнер с заготовками подается порошок, обладающий абразив­ными и магнитными свойствами, и СОТС. Магнитное поле выполняет роль связки, формирующей из отдельных абразивных зерен эластичный абразивный инструмент. Оно обеспечивает силовое воздействие, с помощью которого абразиву сообщаются нормальные и тангенциальные силы резания.

СОТС — носитель поверхностно-активных веществ. В зоне обработки возникает процесс электролиза. Анодное растворение поверхностного слоя за­готовок интенсифицирует процесс обработки, анодное растворение поверхностных слоев абразива обеспечивает их самозатачиваемость.

Схема установки для магнитно-абразивного полирования (МАП) показана на рисунок 2.46. Между столом 12 станка и рабочей плитой 10размещена немагнитная неэлектропроводная прокладка 11. На рабочей плите размещаются трафарет1 и заготовки 9. На шпиндель 4 станка надета оправка 5 с корпусом электромагнитного индуктора 7 и катушками 8 электромагнита. Напряжение на катушки электромагнита подается через контактные кольца 6 токосъемником 3, установленным на кронштейне 2.

1 — трафарет; 2 — кронштейн; 3 — токосъемник; 4 — шпиндель; 5 — оправка; 6 — контактное кольцо; 7 — электромагнитный индуктор;

8 — катушка электромагнита; 9 — заготовка;

10 — рабочая плита; 11 — прокладка; 12 — стол

Рисунок 2.46 Установка для магнитно-абразивной обработки

Магнитно-абразивное полирование проис-ходит с подачей в зону обработки 5... 10%-ного раствора эмульсола марки Э-2 в воде. Абразивные порошки для МАП должны обладать высокой магнитной индукцией насыщения, магнитной проницаемостью, абразивными свойствами, теплопроводностью, химической стойкостью и низкой электропроводностью. Обычно применяют ферросплавы или смеси железных окатышей и тугоплавких соединений (TiC, Al₂O₃, Cr₃C₂, ZrC, W₂B₅, WC).