Технологические модели и циклы шлифования

Шлифование является сложным процессом, состоящим из взаимосвязанных подпроцессов: удаления материала, упругого де­формирования технологической системы, относительного перемеще­ния элементов технологической системы, теплообмена, изнашивания шлифовального круга, макро- и микроформообразования. Для эффективного управления процессом шли­фования необходимы математические модели, отражающие наиболее важные связи между показателями его компонентов.

Экспериментально установлено, что режущая способность шлифовального круга (т. е. объемная производительность шлифования Q) определяется радиальной силой Р_у, с которой рабочая поверхность круга прижимается к шлифуемой поверхности заготовки. В общем случае зависимость между Q и Р_у можно описать следующим выражением: где К_реж-коеффициент режущей способности, λ-коэффициент нелинейности.

Во многих случаях можно ограничиться линейной моделью ре­жущей способности, т. е. положить λ = 0. Тогда выражение примет вид

Чем «острее» шлифовальный круг (больше значение К_реж), тем выше объемная производительность процесса шлифования при тех же значениях радиальной силы Р_у. Значение К_реж зависит от ха­рактеристик шлифовального круга, способа и режима правки, ско­рости шлифовального круга и т. д. С увеличением размеров абразивных зерен и твердости шлифовального круга значение К_реж снижается, а с увеличением скорости шлифования для большинства сталей увеличивается. Однако для некоторых марок стали оно незначительно. Кроме того, имеют место случаи, когда увеличение скорости шлифования v ведет к снижению коэффици­ента режущей способности (например, при шлифовании стали марки ШХ15). В зави­симости от сочетания твердо­сти шлифовального круга и параметров режима шлифова­ния и правки в соответствии с графиками зависимости К_реж / К_реж от времени τ воз­можны следующие режимы работы круга (рис. 1): шли­фование с затуплением круга (кривая 3); шлифование с полным или частичным само затачиванием круга (кривые 1, 2, 4). Главным параметром, опре­деляющим режим работы круга, является критическая радиальная сила Р_у в зоне шлифовании.

Рис 1 Рис 2

Критическая радиальная сила увели­чивается при увеличении твердости шлифовального круга и скорости шлифования. Если фактическая радиальная сила больше критиче­ской, то круг работает с полным самозатачиванием, а если мень­ше, — то в режиме с частичным самозатачиванием круга или с затуплением (по мере уменьшения Р_у). Следовательно, при увели­чении производительности удаления материала заготовки круг, ра­ботающий в режиме затупления, переходит в режим частичного, а затем полного самозатачивания.

Важной для управления процессом шлифования является модель микроформообразования, связывающая параметр шероховатости с радиальной силой шлифования, приходящейся на единицу ширины зоны контакта круга с деталью. Эксперименты показали, что уве­личение радиальной силы увеличивает параметр шероховатости Ra, а увеличение скорости шлифования существенно его снижает. Зна­чительное влияние на шероховатость шлифованной поверхности оказывает скорость продольной подачи при правке круга, которая обусловливает не только начальное значение Ra сразу после правки, но и характер изменения шероховатости от времени τ работы круга после правки.

Если круг работает в режиме полного самозатачивания, то ше­роховатость шлифованной поверхности существенно зависит от па­раметров круга: зернистости, твердости и структуры. В таких условиях шероховатость возрастает с увеличением номера зерни­стости (в степени 0,5...0,7), с уменьшением твердости и процентного содержания зерен в объеме круга (в степени 0,5...1).

Особенностью врезного и многопроходного шлифования является переменность производительности процесса удаления материала (съема припуска) в течение времени (цикла) обработки одной за­готовки. Производительность изменяется вследствие изменения по­перечной (вертикальной) подачи s и упругой деформации тех­нологической системы (под действием силы Р_у). Закон изменения поперечной подачи будем называть алгоритмом управления съемом припуска. Наиболее часто в практике применяется ступенчатый алгоритм управления съемом припуска (СтАЛП), который состоит из ряда подач s, последовательно и ступенчато уменьшающихся от начала цикла съема припуска к его концу. Для круглого врезного шлифования наиболее общий СтАЛП (рис.2). Он включает подачу s₁₁ в течение времени τ₁₁ (этап ускоренного врезания), подачу s₁ в течение времени τ₁ (этап предварительного шлифования), подачу s₂ в течение времени τ₂ (чистовое шлифо­вание) и подачу s₃, чаще всего равную нулю, в течение времени τ₃ (этап выхаживания).

 

 

Эластичное шлифование

Эластичное шлифование — отличается от обычного характером связи абразивных зерен с инструментальным шпинделем. В данном случае конструкция инструмента допускает в процессе работы зна­чительное упругое перемещение рабочих зерен, попадающих в зону контакта с обрабатываемой заготовкой, в направлении нормальной составляющей (Р_у) силы резания. Такое закрепление абразива в эластичной связке позволяет: уменьшать напряженность теплового потока в зоне обработки; увеличивать количество абразивных зерен, одновременно участвующих в работе; в некоторых случаях создавать условия для самоочистки рабочей поверхности инструмента.

Основное назначение эластичного шлифования — повышение качества поверхности без исправления погрешности ее формы. Од­нако в некоторых случаях способ эластичного шлифования приме­няется для формообразования (размерной обработки). В зависимости от требований к качеству обработанной поверхности различают зачистку, шлифование и полирование. При зачистке целью обра­ботки является удаление дефектного слоя на слитках и отливках или удаление заусенцев после механической обработки (штампов­ки), а также заделка отдельных дефектов поверхностей. Целью эластичного шлифования и полирования является повышение ка­чества поверхности, т. е. снижение параметра Ra и повышение уровня сжимающих остаточных напряжений в подповерхностных слоях материала.

В качестве эластичного абразивного инструмента используют: абразивосодержащие эластичные круги на высокопористой вулканитовой, поролоновой или нетканой волокнистой связке; эластичные круги с абразивным покрытием на текстильную или войлочную основу, а также на круги специальной конструкции; изделия из шлифовальной шкурки — диски, бесконечные ленты, барабаны, лепестковые круги.

Схемы эластичного шлифования абразивосодержащими и абра-зивопокрытыми кругами соответствуют аналогичным схемам обыч­ного шлифования. Но в отличие от обычного шлифования в зоне контакта инструмент принимает форму обрабатываемой поверхно­сти.

Некоторые схемы ленточного шлифования (полирования) пока­заны на рис. 2.28. Эти схемы обладают более широкими, чем обычное шлифование, возможностями управления процессом реза­ния за счет регулирования натяжения ленты 1 и жесткости кон­тактного ролика (или копира) 3, поджимающего ленту к поверхности заготовки 2. Кроме того, рабочая поверхность бесконечной ленты больше поверхности шлифовального круга, лента не нуждается в правке и балансировке, закрепление зерен на поверхности ленты упругое. Часто используются схемы обработки при скорости пере­мещения Ленты, равной нулю (рис. 2.28, в), а скорость обработки равна скорости v₃ вращения заготовки. Для повышения качества обработанной поверхности на рабочую поверхность ленты дополни­тельно наносится полировальная паста.

Главные факторы, определяющие качество обработанной повер­хности при эластичном шлифовании, — усилие (давление) прижима, зернистость абразива и рабочая скорость шлифования (полирова­ния). Значения этих факторов для различных видов эластичного шлифования. Рабочая скорость влияет в основном на производительность и стойкость инструмента. В каче­стве охлаждающей среды используются водные растворы нитрида натрия или соды, сульфофрезол, масляные эмульсии, масло. При шлифовании титановых сплавов рекомендуется рабочую скорость снижать до 10...15 м/с, а удельное давление — до 0,02...0,15 МПа, а при окончательном полировании удельное давление уменьшают до 0,03...0,1 МПа.

Хонингование

Хонингование —применяют для повышения точности формы, размеров и снижения шероховатости поверхностей (чаще всего внут­ренних цилиндрических) в условиях серийного и массового произ­водства после операций растачивания, шлифования, развертывания и протягивания. После хонингования получают, в зависимости от условий обработки и исходной шероховатости, значения Ra = = 0,08...0,32 мкм и квалитеты точности 5...7..

Обработка поверхности при хонинговании производится абразив­ными, эльборовыми или алмазными брусками, закрепленными в специальной головке, которая называется хоном. Головке сообщают вращательное движение с окружной скоростью υ_ок возвратно-по­ступательное со скоростью υ_вп, а бруски при этом с силой Р_рад прижимаются к обрабатываемой поверхности, обеспечивая радиаль­ную подачу. Схема процесса показана на рис а. При вибра­ционном хонинговании на основное возвратно-поступательное или вращательное движение хонинговальной головки (или детали) на­кладывается дополнительное колебательное движение с малой (обычно 1...4 мм) амплитудой и частотой 20 Гц

а) схема хонингования, б) схема рисок

L_р.х.-длина рабочего хода хона.

Особенностью процесса хонингования является полное или час­тичное самоориентирование обрабатываемой поверхности и режу­щего инструмента (брусков), которое обеспечивается за счет степеней свободы, сообщаемых головке шарнирным креплением или обрабатываемой заготовки за счет способа закрепления установоч­ного приспособления на станке.

Кроме внутренних цилиндрических, хонингованием обрабатыва­ют наружные цилиндрические и плоские поверхности. С помощью хонингования возможна обработка широкого диапазона материалов: стали закаленной и незакаленной, серого, легированного и зака­ленного чугуна, алюминиевых и медных сплавов и твердых металлокерамических материалов.

Материал абразивных зерен хонинговальных брусков зависит от обрабатываемого материала: для чугуна, цветных сплавов и неза­каленной стали применяется карбид кремния зеленый (марка 63С), а для закаленной стали — электрокорунд (марка 24А). Зернистость абразивного материала выбирается в зависимости от требуемой шероховатости.

 

 

Суперфиниширование

Суперфиниширование — это отделочная обработка цилиндрических, конических, тороидальных, сферических и плоских по­верхностей деталей мелкозернистыми абразивными брусками. Оно существенно повышает эксплуатационные свойства поверхностей, работающих в условиях трения скольжения и качения, так как с помощью этого способа можно достичь параметра шероховатости Ra=0,02...0,16 мкм и погрешности формы (огранки), не превы­шающей 0,5 мкм. При этом удаляется дефектный слой, полученный в ходе предыдущей, операции (шлифования), а поверхность после суперфиниширования получает упрочнение.

При суперфинишировании заготовка вращается с частотой п и перемещается с осевой подачей Мелкозернистый абразивный брусок (или два бруска) с помощью пружин, расположенных в корпусе, прижимается к обрабаты­ваемой заготовке с относительно не­большой силой и, кроме того, получает колебательное движение с частотой от 10 до 50 Гц и амплитудой 2А = 2...5 мм. В результате относительное движение брусков имеет вид синусоидальной тра­ектории.

Материал абразивных зерен брусков выбирается в зависимости от обрабатываемого материала. Для предварительного суперфини­ширования стальных деталей используется электрокорунд белый (марка 24А), а для окончательного—хромистый электрокорунд (32А). Для суперфиниширования чугунных, незакалённых стальных заготовок, заготовок из цветных сплавов и нержавеющих сталей применяют карбид кремния зеленый (64С). Для обработки заготовок из высокотвердых легированных сталей выбирают эльбор (марки ЛО и ЛП). Для обработки деталей из твердых сплавов и технической керамики используют алмазные зерна (АСО и АСП).

Зернистость брусков определяется требованиями к шероховатости поверхности. В зависимости от исходной шероховатости обработка осуществляется в два или даже в три перехода. Твердость брусков зависит от материала и термической обработки заготовки. Для суперфиниширования стали прессованными брусками из кар­бида кремния зеленого марки 63С

Литые бруски при прочих равных условиях следует брать на две-три степени тверже. При обработке чугуна твердость следует повышать до степеней С...СТ. Данные рекомендации справедливы при суперфинишировании заготовок с исходным значением Ra = = 0,32...0,63 мкм. При большей исходной шероховатости твердость брусков необходимо повышать. Твердость брусков из эльбора на керамической связке следует назначать в диапазоне степеней СТ2...Т2. Скорость вращения заготовки при суперфинишировании обычно не превышает 8... 15 м/мин, а при использовании эльборовых брусков ее можно увеличить до 30 м/мин. Частота и амплитуда колебаний бруска выбираются такими, чтобы максимальная скорость колебательного движения была примерно равна скорости вращения заготовки.

При суперфинишировании закаленных сталей в качестве СОЖ в большинстве случаев используют керосиново-масляную смесь (85... 90% керосина и 10...15% индустриального масла И-40А), в которую добавляют олеиновую кислоту (3...5%). При обработке вязких, пластичных материалов следует увеличивать (до 70...80%) содержание масла. Необходима тщательная очистка СОЖ от отходов обработки.

 

Доводка

Доводка (притирка) используется не только как один из способов досборочной размерной обработки, обеспечивающих гер­метичность неподвижных соединений, но и как окончательная (фи­нишная) обработка, обеспечивающая высокую точность размеров и формы (0,5...0,1 мкм), а также параметр шероховатости Ra = = 0,01...0,16 мкм. Схемы доводки плоских, цилиндрических и сферических поверхностей с помощью притиров показаны на рис. 2.31. При этом абразивная суспензия непрерывно подается в зону обработки.

Как правило, доводку выполняют после шлифования. Припуск (П) при доводке определяется параметром исходной шероховатости R_z и погрешностью формы заготовки. В некоторых случаях припуск под доводку увеличивают для удаления дефектного подповерхност­ного слоя, полученного при шлифовании.

Доводку осуществляют за несколько последовательных операций, число которых зависит от требований к точности и шероховатости. Для обеспечения стабильных размеров после доводки необходимо, чтобы разноразмерность заготовок не превышала (0,2...0,3)П. Это достигается путем предварительной сортировки заготовок.

В процессе доводки притир изнашивается неравномерно Поэтому, кроме исправления погрешности формы обрабатываемой поверхно­сти, происходит перенос (копирование) погрешности формы притира на эту поверхность. Чтобы получить требуемую точность обработки, притир необходимо периодически править для компенсации нерав­номерности его износа.

Экспериментальные исследования доводки цилиндрических заго­товок (см. рис. 2.31, б) показали, что неплоскостность притиров также приводит к появлению погрешности формы детали в попе­речном сечении (некруглости). Однако вклад формы притира в общую погрешность формы детали составляет всего 27 %, а исходной погрешности формы заготовки — 56%. Некруглость доведенных деталей можно уменьшить за счет уменьшения давления от действия силы Р, увеличения отношения частот вращения п₁ и п₂ притиров и вала эксцентрика-держателя, за счет уменьшения эксцентриси­тета е.

Вибрационная обработка

Вибрационная обработка в зависимости от характера при­меняемой рабочей среды представляет собой механический или химико-механический процесс удаления частиц материала и его оксидов с поверхности заготовок, а также сглаживания микронеров­ностей путем их пластического деформирования частицами рабочей среды. Эти процессы обусловлены микроударами частиц рабочей среды об обрабатываемую поверхность, вызванными действием на­правленных вибраций, сообщаемых рабочей камере 1, в которой размещены обрабатываемые заготовки 3 и рабочая среда 2 (рис. 2.32, а). Рабочая камера смонтирована на спиральных (4) и плоских (5) пружинах и может совершать колебатель­ные движения с частотой от 15 до 50 Гц и амплитудой от 0,5 до 8 мм под действием сил инерции вращающегося несбалансированного ротора 6. Под действием вибраций рабочая среда и заготовки совершают

два вида движений: колеба­тельное и циркуляционное (медленное вращение всей массы). В процессе обработки заготовки занимают различное положение в рабочей среде, что обеспечивает достаточно равномерную обработку всех поверхностей.

Процесс обработки обычно протекает при непрерывной подаче СОЖ, которая обеспечивает удаление продуктов изнашивания, сма­чивание заготовок и рабочей среды и равномерное распределение заготовок в рабочей среде. Интенсивность и качество обработки зависят от состава СОЖ и ее уровня в рабочей камере.

Вибрационная обработка позволяет выполнять следующие опе­рации: 1) очистные (очистка заготовок от окалины, накипи и кор­розии, удаление заусенцев, скругление острых кромок); 2) отделочно-упрочняющие (полирование поверхностей, поверхностное упрочнение). В зависимости от целей обработки изменяются амп­литуда и частота вибраций, а также состав рабочей среды и СОЖ.

 

 

В состав рабочей среды входят: абразивные компоненты (абра­зивная крошка, шлифзерно, галька, гранит, известняк), наполни­тели (металлические шарики или иголки, древесная крошка, ре­зиновая крошка, кусочки кожи, пластмассы), водные растворы каль­цинированной соды с моющими, разделяющими, травящими, пас­сивирующими или блескообразующими добавками.

Кроме того, при­меняют мыльные растворы, а для отделки — водный раствор аммиака. Некоторые рекомендации по выбору рабочей среды при­ведены в табл. 2.27.

Скорость съема металла с заготовок существенно увеличивается с повышением частоты и амплитуды колебаний, особенно для брон­зы. Аналогично влияют зернистость абразивной крошки и размер гранул. Наиболее интенсивно происходит удаление материала с острых кромок, выступов и открытых поверхностей, причем среди последних более равномерно и интенсивно обрабатываются цилин­дрические и сферические поверхности и сравнительно хуже плоские. Обработка в глубоких карманах, отверстиях, пазах и углублениях происходит медленнее.

На интенсивность съема материала существенное влияние ока­зывают химически активные добавки, вводимые в раствор. Так, если съем при обработке стали с применением СОЖ в виде 1,5%-го раствора кальцинированной соды принять за 1, то добавка к нему олеиновой кислоты (1%) дает относительный съем, равный 1,89. А применение водного раствора серной кислоты и хромового ан­гидрида слабой концентрации дает относительный съем,' равный 3,78. Добавление стеариновой (1%) кислоты в керосин обеспечивает относительный съем, равный 5,68.

Указанные параметры условий виброабразивной обработки ока­зывают существенное влияние и на шероховатость обработанной поверхности. Для уменьшения значения параметра Ra необходимо уменьшить амплитуду вибраций, зернистость абразивной крошки, использовать крошку на бакелитовой или вулканитовой связке и с повышенной твердостью. Применение поверхностно-активных доба­вок наряду с увеличением интенсивности съема может снизить значение Ra. С увеличением твердости заготовки в пределах от 50 до 300 единиц по Бринеллю параметр Ra уменьшается в 2...2,5 раза. При дальнейшем увеличении твердости Ra практически не изменяется.

Повышение качества и производительности достигается приме­нением шпиндельной виброабразивной обработки, схема которой показана на рис. 2.32, б. Скорость вращения на поверхности заго­товки достигает 1...15 м/с

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: