МЕТОДЫ ЧИСТОВОЙ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Сакулевич Ф.Ю., Кожуро Л.М.
Источник: Сакулевич Ф.Ю., Кожуро Л.М. Объемная магнитно-абразивная обработка. - Мн.: Наука и техника, 1978. - с. 101 - 104.
Технологические процессы обработки деталей машин включают в качестве отделочной операции абразивную обработку. Известен ряд разновидностей финишной абразивной обработки: тонкое, алмазное, ленточное шлифование, шлифование гибкими абразивными кругами, полирование, хонингование, суперфиниширование, доводка.
Операция тонкого шлифования выполняется мелкозернистым кругом при низких скоростях резания. В начале выхаживания исходные гребешки интенсивно срезаются, так как в результате значительного радиального давления круга на деталь в контакте находится максимальное количество режущих зерен. Затем натяг в системе СПИД уменьшается, режущих зерен в контакте с обрабатываемым изделием становится меньше и интенсивность обработки снижается. Обеспечивается шероховатость поверхности, соответствующая 9-му классу, снимаемый припуск в пределах 0,06 мм, улучшается геометрическая форма изделий. Шлифование алмазными кругами эффективно применяют при обработке твердых сплавов, труднообрабатываемых сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов, керамики, ферритов, кремния, германия, стекла, пластмассы, кварца, мрамора, гранита, бетона, железобетона и других материалов. Для достижения преимуществ в эксплуатации используют алмазные круги с прерывистой рабочей поверхностью. Это улучшает качество обработки за счет снижения температуры в зоне резания и повышает производительность. Применение чашечных алмазных кругов с эксцентричным расположением алмазоносного слоя позволяет снизить удельный расход алмазов и температуру в зоне резания. Используют алмазные круги, размер корпуса которых можно менять в процессе работы при намагничивании. Этим достигается весьма малая подача без механизма подачи па станке. Увеличение диаметра круга зависит от магнитострикционного эффекта и может составлять 5 - 13,5 мкм для круга диаметром 300 мм. Повышение режущей способности алмазных кругов достигается ориентацией алмазных зерен. Ориентация предварительно металлизированных зерен производится в магнитном поле 0,2 - 0,3 Тл. В качестве связки эффективно применяется эпоксидная смола ЭД-6 вместе с пластификатором МГФ-9. Оптимальные углы резания на каждом зерне, создаваемые ориентацией, и небольшие радиусы округления вершин алмазных зерен способствуют осуществлению процесса резания на глубину 6 - 10 мкм.
Оптимальные режимы хонингования брусками с ориентированными алмазами: скорость вращательного движения инструмента 47 - 50 м/мин, скорость возвратно-поступательного движения 6 - 8 м/мин, удельное давление бруска на обрабатываемую поверхность 294 - 392 Па, снимаемый припуск на сторону 0,03 - 0,035 мм. Достигаемая шероховатость соответствует 11-му классу.
Для получения поверхностей с высокой точностью и в сочетании с оптимальной шероховатостью после операции шлифования применяют полирование абразивной шкуркой. Однако при обычном шлифовании до 7 - 8-го класса шероховатости с волнистостью He = 2 - 5 мкм последующее полирование до 11-го класса обеспечить трудно. Шлифование гибкими абразивными кругами позволяет получить 9-й класс шероховатости, затем отполировать эту поверхность до 11-го класса. Применяют эластичные круги 1 ГК, среднеэластичные 2 ГК, малоэластичные 3 ГК, жесткие круги 4 ГК, скорость их вращения 18 - 25 м/с, скорость вращения обрабатываемого изделия 90 - 100 м/мин, число двойных качаний 30 в 1 мин. И первые 10 с обработки шероховатость резко снижается, т. е. происходит срезание исходных микронеровностей, затем уменьшается интенсивность обработки, шероховатость снижается на два разряда, оставаясь в пределах 9-гокласса. Более продолжительное шлифование (>25 с) может испортить обрабатываемую поверхность. После этого обрабатываемое изделие подвергают полированию абразивной шкуркой с применением полирующей пасты (75% абразивного порошка М14, 15% стеарина, 8% вазелина и 2% керосина). Дополнительная операция шлифования гибкими кругами увеличивает трудоемкость, при этом снижается брак по шероховатости и волнистости.
Полирование абразивным полотном рабочих поверхностей роликоподшипников до 10-го класса шероховатости производительнее тонкого шлифования. При полировании абразивным полотном за 15 с шероховатость изменяется с 7-го класса до 10-го, в то время как тонким шлифованием 9-й класс шероховатости достигается выхаживанием в течение 20 - 25 с. За 15 с полирования микротвердость увеличивается примерно на 10%. Полирование абразивным полотном относится к методу ленточного шлифования, которое по сравнению с шлифованием кругами имеет более широкие возможности управления процессом резания. Это осуществляется изменением натяжения ленты. Кинематика станков для ленточного шлифования проще, лента безопасна при разрыве.
В серийном и массовом производстве для повышения точности обработанного изделия, снижения шероховатости после токарных операций, шлифования, развертывания, протягивания применяют хонингование абразивными и алмазными брусками. Этим методом обрабатывают стали, чугуны, твердые сплавы, хром, никель, алюминий, бронзу. Хонингованием обрабатывают цилиндрические отверстия сквозные, глухие, ступенчатые, отверстия, пересеченные пазами, шлицы, наружные цилиндрические поверхности. Конические и некруглые отверстия также могут быть обработаны методом хонингования, но в этом случае достигается лишь снижение шероховатости.
При вибрационном хонинговании на основное движение обрабатываемого изделия или хонинговальной головки накладывают дополнительное колебательное движение с амплитудой до 4 мм и частотой до 20 двойных ходов в 1 с. Вибрационное хонингование в зоне звуковых частот интенсифицирует процесс вибрационного хонингования и устраняет прижоги, микротрещины, остаточные напряжения, растяжения, которые возникают после операции шлифования.
После операции чистового и тонкого точения или шлифования для улучшения эксплуатационных свойств деталей, работающих в условиях трения скольжения, применяют суперфиниширование. Суперфиниширование мелкозернистыми брусками позволяет улучшить шероховатость поверхности изделия от Rz = 0,05 - 1 мкм до Ra = 0,08 - 0,16 мкм, устранить полностью волнистость, снизить огранку до 0,5 мкм, удалить дефектный слой, увеличить микротвердость, создать напряжения сжатия. Суперфинишированием эффективно обрабатывают ответственные детали машин цилиндрической, конической и тороидальной формы, а также сферические и плоские поверхности. Скорость резания при интенсивной обработке достигает 1 - 1,5 мкм/с. Для выглаживания и полирования до зеркального блеска процесс переводят в режим граничного трения. При суперфинишировании рабочих поверхностей подшипников качения скорость вращения изделий принимается 1 - 2 м/с, удельное давление абразивного бруска 392 - 784 кПа/см2, число двойных ходов бруска 500 - 600 в 1 мин. К недостаткам суперфиниширования относят нестабильность шероховатости поверхности при неоднородной структуре брусков, необходимость контроля брусков по твердости, налипание абразива при больших скоростях обработки, приработка и подналадка брусков при их смене.
Полирование и суперфиниширование обеспечивают большую усталостную прочность, чем тонкое шлифование, при этом производительность полирования в 3 - 4 раза выше, чем суперфиниширования и тонкого шлифования.
Для финишной обработки высокоточных плоских деталей, отверстий малого диаметра, фасонных поверхностей, шариков для подшипников, а также для притирки деталей, работающих в паре, применяют процесс доводки. В зависимости от типа инструмента доводка может быть осуществлена свободным или закрепленным абразивом. Недостатком обработки свободным абразивом является интенсивное шаржирование обрабатываемой поверхности абразивными зернами. При доводке закрепленным абразивом интенсивность шаржирования обрабатываемой поверхности абразивными зернами резко уменьшает, стабилизируются результаты по производительности и качеству. Грубая доводка обеспечивает точность 3 - 5 мкм, шероховатость Ra = 0,16 - 0,32 мкм. Чистовая доводка обеспечивает точность 1 - 2 мкм, шероховатость Ra = 0,08 - 0,16 мкм. Тонкая доводка обеспечивает точность 0,1 - 0,5 мкм, шероховатость Ra = 0,01 - 0,04 мкм. Доводка принудительно шаржированным притиром применяется в сочетании с микропорошками зернистостью М7—М1 и обеспечивает наиболее высокую точность до 0,1 - 0,3 мкм и минимальную шероховатость Ra = 0,01 - 0,04 мкм.
Все традиционные методы финишной абразивной обработки можно разделить на методы обработки свободным и закрепленным абразивом. Достоинства обработки закрепленным абразивом - автоматическое изменение режущей способности инструмента в течение одного оборота детали, возможность плавно изменять процесс в направлении от грубого к более тонкому, недостаток - неполное использование режущих свойств абразивных черен из-за их стабильного положения. Обработка свободным абразивом не позволяет получить стабильные результаты по геометрической точности и шероховатости.
Методы ленточного шлифования дают возможность получить стабильные результаты при более полном использовании режущих свойств абразивных зерен. В методе МАО сочетаются достоинства обработки закрепленным и свободным абразивом. Метод обеспечивает снятие припуска от 0,005 до 0,03 мм на сторону. После обработки шероховатость снижается с 0,5 - 1,2 мкм до 0,02—0,08 мкм за 30—60 с, профиль шероховатости приобретает форму, которая может повысить контактную прочность, в 8 - 10 раз уменьшается волнистость, в 1,5—4 раза - гранность, снижается величина остаточных растягивающих напряжений, содержание остаточного аустенита уменьшается на 1 - 7% .
Таким образом, метод полирования бесконечными алмазными лентами и эластичными брусками обеспечивает шероховатость, соответствующую 12-му классу, за короткий промежуток времени (25—30 с), их эффективность объясняется тем, что эластичная основа позволяет более полно использовать режущие свойства абразивных и алмазных зерен. Однако такие методы требуют предварительной подготовки обрабатываемой поверхности дорогостоящего инструмента. Алмазные ленты на тканевом основе не экономично использовать для полирования твердых поверхностей, так как происходит интенсивный расход алмазов. Полирование эластичными брусками требует применения суперфинишных головок. Введение и технологический процесс операции шлифования гибкими кругами увеличивает трудоемкость. С помощью магнитно-абразивной обработки можно достичь тех же классов шероховатости, что и методами обработки абразивным инструментом на гибкой основе, но на поверхностях, имеющих большую высоту микронеровностей и с меньшими затратами. Это объясняется тем, что метод МАО не имеет перечисленных выше экономических недостатков и позволяет наиболее полно использовать преимущества обработки на эластичной основе и свободным абразивом. Отличительной особенностью МАО являются небольшие удельные давления в отличие от традиционных методов обработки, где зерна жестко закреплены. Возможна обработка со съемом металла в пределах допуска на размер, полученный на предшествующей операции, с сохранением точности предшествующей обработки, увеличением опорной длины профиля микронеровностей. Подбором режимов обработки, размеров и форм рабочий зазора съем металла может быть увеличен, а параметры геометрической точности улучшены. Этот метод позволяет производить обработку без микротрещин, надрывов, шаржирования, равномерно удалять припуск с обрабатываемой поверхности, упрочнять поверхностный слой, снижать остаточные растягивающие напряжения с переходом их в сжимающие. Положительным является также то, что в меньшей степени засаливается обрабатывающая щетка снимаемой стружкой.