Обработка на шлифовальных станках

Лекция 6 5. ОБРАБОТКА НА ШЛИФОВАЛЬНЫХСТАНКАХ 5.1. Особенности процесса шлифования. Абразивный инструмент Шлифование является одним из производительных методов обработки различных поверхностей. Обработка осуществляется абразивным инструментом (шлифовальные круги, бруски, сегменты, шкурки и т. п.), абразивные зерна которых являются режущими элементами. зерна в инструменте закреплены связующим компонентом – связкой с обязательным наличием пор (рис. 7.1). Особенностью шлифования является одновременное микрорезание несколькими зернами, каждое из которых имеет два-три режущих лезвия и более, у каждого режущего лезвия свои угловые параметры. Передний угол γ у режущих лезвий зерен часто бывает отрицательный. Радиус округления режущих кромок абразивных зерен близок к нулю, поэтому в совокупности абразивные зерна на поверхности круга способны срезать тончайшие слои с обрабатываемой заготовки (несколько микрометров), в отличие от лезвийного инструмента, радиус при вершине «клина» которых составляет от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. Рис. 7.1. Схема срезания припуска при шлифовании и конструктивные особенности абразивного инструмента: 1 – зерна; 2 – связка; 3 – поры; 4 – заготовка Зерна, закрепленные связкой в инструменте, находятся на различном уровне; чем меньше толщина срезаемого слоя, тем меньше зерен участвует в резании. Чем больше зерен участвует в резании, тем меньше шероховатость обработанной поверхности. Абразивный инструмент, как и любой лезвийный инструмент, нуждается в периодической заточке (правке) по мере затупления режущих элементов. так как скорость резания при шлифовании во много раз превышает скорость резания при лезвийной обработке, и, ввиду геометрических особенностей режущих элементов абразивного инструмента, снятие припуска происходит с большим выделением теплоты (10001500 °С). Это оказывает влияние на физико-химические и эксплуатационные свойства обрабатываемой поверхности. Во избежание или для уменьшения влияния высокой температуры и силовых факторов необходимы обильное охлаждение (СОТС), оптимальные характеристики круга, шлифования, правящий инструмент и режимы правки. 5.2. Схемы обработки при шлифовании В современном машиностроении шлифованию подвергают различные поверхности деталей машин: плоские, цилиндрические, фасонные, внутренние, наружные и т. п. Наиболее часто обрабатывают поверхности деталей, имеющих ось вращения (валы, втулки, резьбы и др.), а также плоские поверхности (плоскости, уступы, пазы и др.). Существуют различные схемы шлифования этих поверхностей. Для всех способов шлифования главным движением резания является вращательное движение шлифовального круга Dг, а движение подачи Ds совершает заготовка. Обработка заготовок на круглошлифовальных станках. При наружном круглом шлифовании возвратно-поступательное продольное движение (рис. 7.2) подачи осуществляется столом с закрепленной на нем заготовкой. Круговое движение подачи заготовки производится передней бабкой шлифовального станка, а поперечное движение подачи шлифовальным кругом осуществляется на каждый ход стола или двойной ход стола вне зоны обработки. Такой способ круглого шлифования называют осциллирующим шлифованием. В зависимости от направления поступательного движения подачи, различают еще несколько видов круглого шлифования: глубинное; врезное шлифование и шлифование уступами (рис. 7.2, в). Глубинное шлифование может производиться по схеме с продольным движением подачи и врезным. Рис. 7.2. Схемы наружного шлифования в центрах: а – глубинное; б – врезное; в – шлифование двух взаимно перпендикулярных поверхностей Обработка заготовок на плоскошлифовальных станках. При плоском шлифовании периферией круга (рис. 7.3) обеспечивается наиболее высокая точность обработки, лучшие показатели качества обработанной поверхности. Возможна обработка заготовок малой жесткости. Заготовки, обрабатываемые этим методом, устанавливают на плоском столе и закрепляют либо механически, либо, что чаще всего, на магнитной плите. При плоском шлифовании возвратно-поступательное продольное движение подачи (Dпр) и прерывистое движение поперечной подачи (Dsпоп) совершает заготовка или шлифовальный круг. Рис. 7.3. Схема обработки заготовки на плоскошлифовальном станке периферией круга Плоское шлифование периферией круга большой партии однотипных заготовок производится на плоскошлифовальных станках с круглым столом (рис. 7.4). Плоское шлифование торцом круга (рис. 7.5) также может осуществляться на плоскошлифовальных станках, с прямоугольным и круглым столом. Но, в отличие от резания периферией круга, при торцовом шлифовании одновременно участвует в резании намного больше режущих элементов-зерен (большая площадь контакта). Поэтому при торцовом шлифовании выделяется существенно больше теплоты и возможны прижог и коробление тонких заготовок. Рис. 7.4. Схема обработки заготовок периферией круга на плоскошлифовальном станке с круглым столом Рис. 7.5. Схема обработки на плоскошлифовальном станке торцом чашечного круга Чтобы уменьшить выделение теплоты, часто используют сегментные торцовые круги с меньшей площадью контакта. Способы установки и закрепления заготовок на плоскошлифовальных станках всех видов зависят от размеров, формы обрабатываемых заготовок, типа производства. Закрепление заготовок на магнитной плите обеспечивает быстрый и надежный прижим заготовок, имеющих поверхность базирования. Обработка заготовок на внутришлифовальных станках Внутренним круглым шлифованием обрабатывают внутренние поверхности. Обработка производится следующими методами: шлифование с продольным движением подачи (рис. 7.6, а, б), врезное шлифование с поперечным движением подачи, врезное шлифование с дополнительной осцилляцией круга (рис. 7.6, в), шлифование с планетарным DS ПЛ движением круга (рис. 7.6, г). При планетарном движении шпиндель с кругом, помимо главного движения, совершает еще вращательное относительно оси обрабатываемого отверстия. Метод применяют для шлифования отверстий в тяжелых корпусных заготовках. Бесцентровое круглое наружное шлифование. Сущность бесцентрового шлифования заключается в том, что заготовка в процессе обработки не закрепляется в центрах и других зажимных приспособлениях, а базируется на опорном ноже станка и ведущем круге (рис. 7.7). Таким Рис. 7.6. Схемы обработки заготовок на внутришлифовальных станках: а–в – шлифование в патроне; г – планетарное шлифование образом, возможно шлифование большими партиями не только заготовок колец, гильз, но и заготовок, имеющих большую длину и малый диаметр. Обработка заготовки (заготовок) 2 заключается в следующем. Шлифовальный 3 и ведущий 1 круги вращаются с разной частотой. Окружная скорость шлифовального круга в 50 – 60 раз выше окружной скорости ведущего круга. Конструктивно ведущий круг выполнен также, как шлифовальный, но на основе вязких, вулканитовых связующих веществ, обеспечивающих контакт с заготовкой практически без Рис. 7.7. Схема обработки на бесцентрово-шлифовальном станке 1 – ведущий круг; 2 – заготовка; 3 – шлифовальный круг; 4 – опора скольжения. В этом случае мгновенная окружная скорость в точке А (точка контакта) будет одинаковой для заготовки и ведущего круга. Рассмотрим схему бесцентрового шлифования напроход (см. рис. 7.7). Для обеспечения перемещения заготовки вдоль оси шлифовального круга у ведущего круга предусмотрен наклон в вертикальной плоскости на 0 – 8° к оси шлифовального круга. Учитывая это, а также одинаковые окружные скорости ведущего круга и заготовки в месте контакта, разложим вектор угловой скорости ведущего круга на составляющие относительно заготовки: вертикальную – вектор угловой скорости заготовки и горизонтальную – вектор скорости перемещения заготовки вдоль своей оси. Меняя угол наклона ведущего круга α, можно изменять в значительной степени угловую скорость и скорость поступательного движения заготовки. При α = 0 и Vз пр. = 0 происходит врезное шлифование. Рабочая поверхность шлифовального круга состоит из четырех участков, каждый из которых выполняет свою функцию. а – участок входа заготовки, или заборный конус. Высота этого конуса 10 – 30 мм. Угол его наклона способствует беспрепятственному вхождению заготовок в зону резания с предельными значениями припуска. Основную часть круга по высоте занимает рабочий конус в, который снимает припуск с заготовки и обеспечивает равномерность его съема. Цилиндрическая калибрующая зона с обеспечивает заданный параметр шероховатости поверхности после срезания основного припуска. Длина калибрующего участка не более 110 мм. Зона d имеет обратную конусность и служит для направления заготовок после обработки, длина этого конуса не превышает 20 – 30 мм. 5.3. Элементы режима резания при шлифовании Элементы срезаемого слоя при шлифовании относятся не к единичным режущим зернам, а к их совокупности – режущей поверхности абразивного инструмента. Основными элементами режима резания при шлифовании являются: окружная скорость круга Vкр, окружная скорость (перемещения) заготовки Vз, глубина резания t, подача S. Элементы режима резания при плоском, круглом шлифовании показаны на рис. 7.2 – 7,5; а при внутреннем шлифовании – на рис. 7.6. Скоростью резания (м/с) при шлифовании Vкр называют линейную скорость на наибольшей окружности шлифовального круга Vкр = π D·n/6·104, где n – частота вращения, мин– 1. Скоростью перемещения заготовки при шлифовании называют: при плоском шлифовании – скорость перемещения стола, при круглом шлифовании – окружную скорость заготовки. Поперечной подачей (при плоском шлифовании) и продольной подачей (при круглом и внутреннем шлифовании) называют перемещение точки круга вдоль оси за один оборот, ход или двойной ход заготовки. Поперечную подачу измеряют в долях высоты круга Н; S = k H, где k – коэффициент определяющий долю высоты круга, приводится в справочных таблицах. Глубиной резания при шлифовании называют слой металла между обработанной и обрабатываемой поверхностью, снимаемый за один рабочий ход. В зависимости от различных технологических параметров качества заготовки, оборудования можно с помощью справочных данных назначить окружную скорость шлифовального круга, глубину срезаемого слоя, скорость движения подачи. 5.4. Конструкции абразивных инструментов Абразивные инструменты имеют свои конструктивные особенности. Шлифовальные круги, бруски, сегменты, головки применяют для различных операций шлифования, хонингования, полирования и т. п. (рис. 7.9). Абразивные материалы. Рабочими элементами любого абразивного инструмента являются классифицированные частицы абразивного материала, твердость которых выше твердости обрабатываемого материала. В качестве абразивного материала широко используются электрокорунды, карбид кремния, алмаз, кубический нитрид бора (эльбор). Алмазно-абразивной обработке подвергают самые различные поверхности и материалы. Наиболее широкое применение в машиностроении находят круги из электрокорунда и карбида кремния по ГОСТ 2424–83, алмазные круги по ГОСТ 1616–80, 16172–80Е и др., а также эльборовые круги по ГОСТ 17123–79Е. Рис. 7.9. Форма сечений шлифовальных кругов по ГОСТ 2424 – 75: а – с прямым профилем (ПП); б – с двусторонним коническим профилем (2П); в – с коническим профилем (ЗП); г – с выточкой (ПВ); д – с конической выточкой (ПВК); е – с двусторонней выточкой (ПВД); ж – с двусторонней конической выточкой (ПВДК); з – специальный (ПН); и – кольцевой (К); к – чашечный цилиндрический (ЧЦ); л – чашечный конический (ЧК); м – тарельчатый (Т); н – с двусторонней выточкой и ступицей (ПВДС) Электрокорунды (кристаллическая окись алюминия А12О3) получают из естественных бокситов с незначительными примесями некоторых материалов. По мере возрастания номера индекса растет процентное содержание окиси алюминия и увеличивается режущая способность. Легируя глинозем в процессе плавки титаном, цирконием, хромом, получают абразивные материалы с требуемыми свойствами. Карбид кремния (карборунд) содержит 97 – 99 % SiC и незначительные примеси др. элементов. Выпускают две разновидности карбида кремния: черный (53С, 54С) и зеленый (62С, 63С, 64С). Зеленый карбид кремния более хрупок, чем черный, и применяется для обработки чугуна, твердых сплавов цветных металлов, камня. Черный карбид кремния более прочен и применяется в аналогичных случаях, но более тяжелых условиях обработки. В 1957 г. был синтезирован новый абразивный материал – кубический нитрид бора. Кубический нитрид бора можно встретить под названиями: борозон, композит гексанит, эльбор, кубонит, КНБ. По своим прочностным характеристикам и режущей способности эльбор близок к алмазу. Его условное обозначение Л. Плотность эльбора (3,48 г/см3) немного уступает плотности алмаза (3,5 г/см3). Для обработки легированных труднообрабатываемых жаропрочных сталей и сплавов применяют шлифовальные круги, бруски, шкурки, лезвийный инструмент из эльбора. Зернистость инструмента. Зернистость инструмента характеризует размер зерен основной группы. Требования к зерновому составу шлифовальных материалов приведены в ГОСТ 3647–80 (с 2009 г. принят Стандарт FEPA 42Д), алмазных порошков – в ГОСТ 9206–80Е, эльбора в зерне – ОСТ 2-МТ79-2-75. Твердость абразивных инструментов является важной характеристикой абразивного инструмента. Под твердостью абразивного круга понимают свойство связки удерживать зерна под действием внешних сил. Чем выше степень твердости, тем прочнее связь между абразивными зернами в инструменте. И чем выше твердость, тем больше связки и меньше пор. Таким образом, абразивные инструменты из одного и того же материала, с одной и той же связкой могут иметь различную твердость. Поэтому из зерен самого твердого абразивного материала можно изготовить мягкие абразивные инструменты и, наоборот, из абразивного материала малой твердости можно изготовить твердые абразивные инструменты. Мягкими абразивными инструментами (в отличие от твердых) называют такие, из которых абразивные зерна легко выкрашиваются. Структура шлифовального круга. Процентное соотношение трех основных фазовых составляющих (зерен, связки и пор) в объеме абразивного инструмента называют структурой. Структуры абразивных инструментов обозначают номерами от 0 до 20. Абразивные инструменты плотной структуры применяются для снятия очень небольшого припуска (малое число пор). Инструменты с плотными (0 –3) структурами используют для доводки, прецизионного шлифования. Основные операции предварительного и окончательного шлифования производят инструментами средних (5, 6, 7, 8) структур. С повышением номера структуры расстояние между зернами увеличивается, лучше отводится стружка, СОТС легче проникает в зону резания, можно работать с несколько повышенными режимами резания. Но инструменты с более открытой структурой обладают меньшей прочностью и быстрее теряют форму профиля. Все чаще и чаще, особенно для врезного шлифования заготовок ответственных деталей, применяют высокопористые круги. Связка инструментов. Абразивные зерна в теле инструмента должны быть связаны между собой, если этот инструмент представляет собой круг, брусок, сегмент и т. п. Связующий материал или совокупность нескольких связующих, удерживающих абразивные зерна в теле инструмента, называют связкой. Изнашивание и стойкость кругов. Шлифование, как и любой процесс механической обработки, сопровождается интенсивным изнашиванием шлифовального круга. Изнашивание проявляется не только в затуплении режущих кромок, но и в выкрашивании зерен, заполнении пор продуктами шлифования («засаливание») и в износе наиболее нагруженных частей режущей поверхности круга. Вопросы для самопроверки 1. В чем заключается особенность шлифования? 2. Расскажите об основных методах шлифования различных поверхностей. 3. Какие абразивные материалы применяют для изготовления шлифовальных кругов? 4. Какие связующие материалы применяют для изготовления шлифовальных кругов? 5. Расскажите о конструктивных особенностях круглошлифовального станка. 6. Каковы конструктивные особенности внутришлифовального станка? 7. Расскажите о конструктивных особенностях бесцентрово-шлифовальных станков.