Глава 15. ШЛИФОВАНИЕ

Шлифованием называется процесс абразивной обработки с пре­обладанием резания поверхности деревянных деталей в целях вы­равнивания поверхности до плоского состояния, придания ей вы­сокой гладкости и калибрования щитовых деталей. В зависимости от вида шлифовального инструмента различают (рис. 42) ленточ­ное, цилиндровое и дисковое шлифование.

Шлифовальную шкурку (рис. 42, а) можно рассматривать как многолезвийный инструмент с огромным числом режущих эле­ментов — кромок абразивных зерен. Зерна 1 (из электрокорунда, карбида кремния или других абразивных материалов) посредством связки 2 (животного клея, карбамидной или фенольной смолы) связаны друг с другом и с основой 3 (бумагой, тканью, фиброй или комбинацией этих материалов).

Абразивные материалы разделяются по крупности зерна на сле­дующие группы и номера зернистости (ГОСТ 3647—80):

Шлифзерно............... 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16

Шлифпорошки......... 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3

Микропорошки........ М63, М50, М40, М28, М20, М14

Тонкие микропорошки М10, М7, М5

Номер зернистости характеризует крупность зерен основной фракции (части) зернового состава данного номера зернистости: для шлифзерна и шлифпорошков он соответствует размеру сторо­ны ячейки сита (в сотых долях миллиметра), на котором задержи­ваются зерна основной фракции; для микропорошков и тонких микропорошков он равен наибольшему линейному размеру зерна в поперечнике (в микрометрах).

Средний радиус закругления режущих кромок зерна р умень­шается с уменьшением размеров зерен: для номеров зернистости 40, 25 и 16 он составляет соответственно 28, 19 и 13 мкм. Это обстоятельство, в частности, указывает, что высокая гладкость поверхности при шлифовании мелкозернистыми шкурками до­стигается благодаря уменьшению толщины срезаемых стружек и увеличению остроты режущих кромок мелких зерен.

До работы зерно имеет острую вершину, которая постепенно затупляется. Возрастающее по мере затупления зерна усилие реза­ния вызывает откалывание от него частичек и образование новых острых кромок. В некоторых случаях зерно целиком выкрашивается из связки под действием усилия резания. Совокупность явлений, связанных с образованием у абразивных зерен в процессе работы новых режущих кромок или выкрашиванием частичек и целых за­тупившихся зерен из связки, называется самозатачиванием абра­зивного инструмента.

Основные параметры режима шлифования (для шкурки выб­ранной зернистости): давление на шлифуемой поверхности, на­правление шлифования относительно волокон древесины, скорость резания, скорость подачи, длина контакта с древесиной.

Давление q в зоне контакта шлифовального инструмента с об­рабатываемым материалом влияет на количество активных (ре­жущих) зерен, а значит, на производительность инструмента. Вме­сте с тем увеличение давления мало влияет на среднюю толщину срезаемых стружек и, следовательно, на шероховатость шлифо­вальной поверхности. По опытным данным, возрастание давле­ния в 50 раз приводит к увеличению глубины неровностей всего на 5... 14%.

Рекомендуемая величина давления для основных схем шлифо­вания дана в табл. 27.

Таблица 27. Давление на шлифуемой поверхности

Направление шлифования. Практика и специальные исследова­ния показывают, что при чистовом шлифовании наилучшее каче­ство поверхности достигается при шлифовании вдоль волокон (угол скоса φ_с = 0°). В чистовом шлифовании поверхностей, предназна­ченных для высококачественной отделки, допускается угол скоса не более 15°. При φ_с > 15°, что имеет место, например, при обра­ботке щитов, облицованных в елку или в ромб, требуется тща­тельное шлифование до получения поверхностей с микронеров­ностями высотой не более 6...8 мкм; только при этих условиях следы от зерен будут незаметны.

Черновое шлифование рамных столярно-строительных изде­лий (с продольными и поперечными брусками) рекомендуется при φ_с = 45°. Встречается шлифование с углом скоса 90°, т.е. попе­рек волокон (обработка паркетных досок).

При ленточном шлифовании (рис. 40, б) существует опреде­ленная оптимальная длина контакта l_к шкурки с древесиной (из­меряется по направлению v). Зернами шкурки может быть срезано и унесено с поверхности изделия лишь такое количество стружки, которое разместится в межзерновом пространстве. При достаточно большой длине контакта стружка постепенно заполняет все сво­бодное пространство между зернами и оттесняет шкурку от изде­лия, из-за чего съем древесины сокращается, а затем прекращает­ся. Оптимальная длина контакта не зависит от скорости шлифования, мало зависит от давления и породы древесины, но определя­ющим образом зависит от зернистости шкурки. Для зернистости шкурки 32, 16 и 10 оптимальная длина контакта (утюжка) l_к равна соответственно 125, 100 и 65 мм.

Для нормальной работы шлифовальной ленты важное значение имеет степень ее натяжения. Оптимальным, например, для шкурки на тканевой основе будет натяжение 7,5 Н на 1 см ширины ленты.

Для шлифования весьма сложно заранее предсказать геомет­рию шлифованной поверхности, так как распределение абразив­ных зерен в инструменте случайно.

В производственной практике ожидаемую глубину неровностей на шлифованной поверхности, мкм, определяют по эмпириче­ской формуле

где d_i — размер зерен основной фракции зернистости, мм; γ_п — плотность древесины, г/см³; знак плюс (+) — для острой шкур­ки, минус (—) — для тупой.

Скорость резания v при шлифовании вычисляется согласно схемам процесса как окружная скорость на поверхности шкива, приводящего в движение ленту, цилиндр или диск.

Приведенная глубина шлифования (толщина снимаемого слоя) за один проход

где R_{mmax (i)} — средняя величина максимальных микронеровнос­тей после обработки, мкм; R_{mmax (i}-_1} — то же до обработки, мкм.

Для сохранения высокой производительности процесса детали шлифуют за два-три прохода, уменьшая от прохода к проходу зер­нистость шкурки.

Чтобы рассчитать скорость подачи для заданных условий шли­фования, необходимо знать удельную производительность инстру­мента (шкурки).

Удельная производительность шкурки а_ш — это номинальный объем, см³, материала, удаляемого с 1 см² обрабатываемой поверх­ности при перемещении инструмента вдоль поверхности на 1 см. Следовательно, а_ш имеет размерность см³/(см²-см).

Удельную производительность шкурки а_ш определяют по эмпи­рической формуле

где q — давление, кПа; γ_п — плотность древесины, г/см³; d_t — размер зерен основной фракции данного номера зернистости, мм; а_м — поправочный множитель, учитывающий влияние материала абразива (электрокорунд — 1; кремень — 1,3); а_н — поправочный множитель, учитывающий способ нанесения абразивных зерен на основу (гравитационный — 1; электростатический — 1,25); а_рп — поправочный множитель, учитывающий остроту шкурки (острая — 1,4; средней остроты — 1; тупая — 0,7).

По известной а_ш определяется скорость подачи, м/мин,

При шлифовании различают общие касательную F_x,нормаль­ную F_zи осевую F_y(например, при осцилляции инструмента) силы (рис. 42, в), получающиеся от сложения соответствующих сил на всех режущих абразивных зернах. Осевая сила из-за ее малости обыч­но не учитывается.

В расчетных формулах касательную силу принято представлять как силу трения. Это оправдано физической сущностью шлифова­ния (определяющей ролью процесса трения), а также тем обстоя­тельством, что нормальная сила резания F,практически задается режимом шлифования (суммарная сила нормального давления по площади контакта f_k). Таким образом,

где f_ш — коэффициент шлифования, величина безразмерная; q — давление по площади контакта, кПа; f_K = Вl_К — площадь контак­та, см², где В — ширина утюжка, см.

Коэффициент шлифования f_ш зависит главным образом от зерни­стости и степени затупления шкурки и от свойств обрабатываемого материала. Для древесины f_ш вычисляют по эмпирической формуле

где а_п — поправочный множитель на породу древесины (береза — 1; сосна — 0,95; дуб — 0,85); а_р — поправочный множитель на степень затупления шкурки (острая — 1,3; средней остроты — 1; тупая -- 0,8).

Для обработки древесно-стружечных плит f_ш = 0,45... 0,75 (боль­шие значения при зернистости шкурки № 40 и выше и значитель­ных припусках на обработку).

Мощность шлифования определяется с учетом особенностей схемы шлифования. Так, для шлифования лентой с учетом трения оборотной стороны ленты по «постели» (коэффициент трения /= = 0,3...0,4)

для шлифования цилиндром

)'

Шлифовальную шкурку поставляют в рулонах (Р) и листах (JI). Размеры и зернистость шлифовальных шкурок для сухого шлифова­ния и шлифования с масляным, керосиновым или уайт-спиритовым охлаждением определены ГОСТ 6456—82 (бумажная основа) и ГОСТ 5009—82 (тканевая основа). Шкурку водостойкую на бумаж­ной основе для шлифования с водяным или керосиновым охлажде­нием (ГОСТ 10054—82) выпускают в листах длиной 3100 мм, ши­риной 230, 240, 275 мм. Рекомендации по выбору зернистости шкурки приведены в табл. 28. Марки шлифовальных шкурок на бумажной основе определяются свойствами бумаги-основы: 0-140 (П1), 0-200 (П2), 0-210 (ПЗ), 0-235 (П4), ... БШ-200 (П7), БШ-240 (П8). Циф­ровая часть марки указывает массу 1 м² бумаги в граммах. Напри­мер, 0-210 — бумага, масса 1 м² которой составляет 210 ± 10 г. Чем больше цифра в условном обозначении бумаги, указанном в скоб­ках, тем выше прочность бумаги (разрывная нагрузка) в продоль­ном и поперечном направлениях и меньше удлинение при разрыве.

Шкурки на тканевой основе в деревообработке применяют реже, чем шкурки на бумажной основе: они дороже, имеют большее остаточное удлинение (недостаток при эксплуатации), хотя и более прочны.

Таблица 28. Зернистость шкурок для различных операций шлифования