Обработка наружных поверхностей тел вращения

Точение применяется для обработки преимущественно поверхностей вращения, а также резьб и червяков с помощью резцов. Обработка наружных поверхностей вращения называется обтачиваншм, обработка внутренних поверхностей вращения — растачиваниемм, обработка канавок — прорезанием, обработка торцов — подрезанием, а обработка резьб — нарезанием. В зависимости от типа обрабатываемой поверхности используют различные типы универсальных или специальных резцов. Чаще всего главное вращательное движение сообщается заготовке, которая устанавливается в центрах, в самоцентрирующем патроне, в патроне и центре, в специальном или специализированном приспособлении, которое крепится к шпинделю станка, а движения подачи — резцу. Если станок снабжен соответствующей системой управления подачами (ЧПУ или копирования), то продольное точение (обтачивание и растачивание) позволяет обрабатывать любую комбинацию: типовых поверхностей, особенно если их размеры изменяются монотонно.

Точению присущи следующие недостатки:

1. Изгиб обтачиваемой заготовки под действием односторонней силы резания приводит к искажению формы обрабатываемой поверхности. а в некоторых случаях — к потере устойчивости процесса резания (автоколебаниям);

2. При точении стальных заготовок на высоких скоростях резания получается раскаленная сливная стружка, которая наматывается на инструмент, загромождает рабочее пространство и представляет серьезную угрозу для рабочего;

3. Режущая часть резца во время точения непрерывно находится в зоне воздействия больших сил и высокой температуры, что существенно снижает его стойкость и ограничивает скорость резания.

При точении длинных цилиндрических поверхностей первый недостаток компенсируется многорезцовым точением, когда радиальные силы резания уравновешиваются.

Второй недостаток точения компенсируется использованием различных способов стружколомания. Их можно разбить на две группы: В первом случае дробление стружки достигается за счет создания определенных условий стружкообразования, Во втором случае (кинематические способы) дробление стружки происходит за счет периодического прерывания процесса резания путем наложения на движение подачи колебательного движения, параллельного направляющей обрабатываемой поверхности.

Третий недостаток точения компенсируется применением ротационного способа, т. е. точения вращающимся резцом с круговой режущей кромкой, В данном случае активный участок режущего лезвия непрерывно обновляется и резко снижается скорость скольжения стружки и поверхности резания по по­верхностям режущего клина инструмента Ротационные резцы могут вращаться принудительно или от сил трения между инструментом и стружкой (самовращение). Однако таким способом можно обрабатывать только поверхности с плавно изменяюшейся образующей. Возможные методы обработки наружных цилиндрических поверхностей приведены на рис.4.1.

Рис. 4.1. Методы обработки наружных поверхностей тел вращения: а - точение напроход;

б - точение в упор; в - фрезерование внешним касанием; г -фрезерование внутренним касанием;

д - протягивание плоское; е - протягивание круговое.

Для обработки наружных поверхностей вращения могут использоваться методы фрезерования внешним и внутренним касанием, а также методами плос­кого и кругового протягивания.

Шшфовсашем обрабатывают поверхности всех классов (рис,4.2.). Обычно оно применяется для повышения точности размеров и формы поверхностей, формообразование которых было на предыдуших этапах обработки осуществлено другими способами (точением, фрезерованием и т.д.). Чаще всего шлифуемые заготовки после предварительной обработки подвергаются закалке или химико-термической обработке, В зависимости от требований к точности шлифование может быть предварительным, чистовым или тонким.

Рис. 4.2. Схема круглого шлифования: а - с продольной подачей; б - врезное; в - глубинное;

г - врезное интегральное; д - бесцентровое с продольной подачей; е - бесцентровое врезное.

В последнее время шлифование все чаще используется для формообразо­вания, т.е. для снятия значительных слоев материала с заготовки (в этом случае оно называется силовым) или для получения в сплошном материале канавок раз­личной формы (глубинное шлифование). Шлифование выполняется шлифоваль­ными кругами, состоящими из абразивных зерен, которые жестко сцементированы в пористое тело с помощью связки.

Для обработки поверхностей вращения применяются различные способы круглого шлифавания Относительно короткие (менее 80 мм) наружные поверх­ности вращения обрабатываются круглым наружным врезным шлифованием на кругло-шлифовальных станках. Заготовка при этом устанавливается в центрах, на оправке или в патроне. Одновременное шлифование шейки и торца выполняют на торцекруглошлифовальных станках с наклоном оси вращения круга на угол 8...20⁰. Торец и шейку можно шлифовать и на обычном кругло-шлифовальном станке, применяя круг с поднутрением на торце. Фасонные поверхности вращения шлифуются профилированным кругом.

Для обработки цилиндрических или конических поверхностей значитель­ной длины применяется круглое наружное шлифование с продольной подачей В зависимости от жесткости заготовки (отношения ее диаметра к длине) применя­ется многопроходное или глубинное шлифование. При многопроходном шлифо­вании поперечная подача осуществляется или перед каждым продольным ходом стола с заготовкой, или перед двойным ходом При глубинном шлифовании заданный слой снимается за один ход стола

Разновидностью круглого шлифования является круглое бесцентровое шлифование, отличающееся высокой производительностью. Особенность этого способа — ориентация заготовки. В данном случае заготовка ориентируется в зоне шлифования той же поверхностью, которая шлифуется, т. е. часть функций направляющего комплекса станка передана заготовке.

При врезном бесцентровом шлифовании заготовка шлифуемой поверхно­стью опирается на опорный нож и ведущий круг, который является абразивным, но с характеристиками, отличными от характеристик шлифовалъного круга. Сво­ей торцовой поверхностью заготовка контактирует с упором. Ведущий круг мо­жет быть алюминиевым, стальным или чугунным. Скорость вращения заготовки обусловлена скоростью вращения ведущего круга и очень близка к ней. Попе­речная подача может сообщаться как шлифовальному, так и ведущему кругу. В конце цикла шлифования шлифовальный (или ведущий) круг отводится и упор-выталкиватель выталкивает готовую деталь из зоны обработки. Кроме цилиндрических поверхностей, врезным бесцентровьм шлифованием обрабатывают также ступенчатые, конические и фасонные поверхности.

Гладкие цилиндрические заготовки (оси, кольца) с высокой производи­тельностью шлифуются бесцентровым шлифованием на проход. При шлифова­нии способом на проход, оси шлифовального и ведущего кругов все время нахо­дятся на одинаковом расстоянии друг от друга Заготовки, проходя между ними по опорному ножу, шлифуются в заданный размер. Для этого на шлифовальном круге предусматриваются три части: заборная (для съема основной части при­пуска), калибрующая (для зачистки), обратный конус (для обеспечения плавно­сти выхода заготовки из зоны шлифования).

Фасонное врезное круглое шлифование в последнее время (в условиях мас­сового производства) все чаше заменяется шлифованием на жестких опорах, при котором исключается влияние биения шпинделя заготовки и деформаций при ее закреплении на точность формы и относительного положения шлифован­ной поверхности. Кроме того, данный способ существенно упрощает автомати­зацию загрузки заготовок по сравнению с ее креплением в патроне.

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. На следующей ступени классификации каждый из указанных подпро­цессов можно в свою очередь разделить на компоненты — более простые эле­менты процесса. Для эффективного управления процессом шлифования необхо­димы математические модели, отражающие наиболее важные связи между пока­зателями его компонентов. Каждая модель отражает сложную систему в опреде­ленном диапазоне условий и требований, включая только те параметры и отно­шения, которые необходимы для решения инженерной технологической задачи.

Отношения и взаимосвязи параметров подпроцессов устанавливаются ли­бо чисто эмпирически, либо логически, но с привлечением данных эксперимен­та. Они описываются с помощью уравнений, неравенств, а также с помощью графов, блок-схем, графиков, программ для ЭВМ и т. д.

Одной из основных является модель производительности удаления мате­риала, или, в соответствии с ГОСТ 21445—84, модель режущей способности шлифовального круга. Экспериментально установлено, что режущая способ­ность шлифовального круга (т.е. объемная производительность шлифования) оп­ределяется радиальной силой, с которой рабочая поверхность круга прижимается к шлифуемой поверхности заготовки. Чем «острее» шлифовальный круг, тем выше объемная производительность процесса шлифования при тех же значениях радиальной силы

Важной для управления процессом шлифования является модель микро-формообразования, связывающая параметр шероховатости с радиальной силой шлифования, приходящейся на единицу ширины зоны контакта круга с деталью.

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 и упругой де­формации технологической системы (под действием силы). Закон изменения по­перечной подачи будем называть алгоритмом управления съемом приписка Наиболее часто в практике применяется ступенчатый алгоритм управления съемом припуска (СгАЛП), который состоит из ряда подач, последовательно и ступенчато уменьшающихся от начала цикла съема припуска к его концу.

Вследствие упругой деформации технологической системы под действием радиальной силы производительность шлифования изменяется за время цикла обработки не так, как меняется подача, т.е. имеют место переходные процессы, когда при постоянной подаче производительностъ изменяется.

При врезном шлифовании подача перемещения бабки шлифовального кру­га «расходуется» на скорость изменения радиуса заготовки, на скорость измене­ния упругой деформации (натяга) технологической системы и на скорость уменьшения радиуса шлифовального круга, которая учитывается только при шлифовании в режиме самозатачивания круга относительно небольшого диаметра.

При ступенчатом алгоритме управления плоским многопроходным шли­фованием цикл съема припуска также состоит из этапов предварительного шли­фования, чистового шлифования и выхаживания. Подача выполняется перед ка­ждым проходом или на один двойной ход

Круглое бесцентровое шлифование является высокопроизводительным способом обработки, широко применяемым в массовом и крупносерийном про­изводстве. Основным недостатком бесцентрового шлифования является прису­щая ему тенденция к образованию поверхностей с отклонениями от круглой формы Причиной этой особенности бесцентрового шлифования является спе­цифическая ориентация заготовки в зоне обработки, где положение оси ее вра­щения определяется опорным ножом и ведущим кругом, которые соприкасаются с обрабатываемой поверхностью по образующим. В области образующей осуще­ствляется шлифование.

Погрешности формы шлифуемой поверхности вызывают колебания техно­логической системы с частотой, зависящей от частоты вращения заготовки и но­меров главных гармоник, имеющих максимальную амплитуду.

Эластичное шлифование отличается от обычного характером связи абра­зивных зерен с инструментальным шпинделем (рис.4.3.). 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 силы резания. Такое закрепление абразива в эластичной связке позволяет: уменьшать напряжённость 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. повышение уровня сжимающих остаточных напряжений в подповерхностных слоях материала.

Рис. 4.3. Схемы отделочной обработки наружных тел вращения: а -хонингование;

б - суперфиниширование; в - ручная доводка; г - машинная доводка; д - полирование лентой; е - полирование мягким кругом.

В качестве эластичного абразивного инструмента используют: абразивосодержашие эластичные круги на высокопористой вулканитовой, поролоновой или нетканой волокнистой связке; эластичные круга 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 абразивопокрытыми кругами соответствуют аналогичным схемам обычного шлифования. Но в отличие от обычного шлифования в зоне контакта инструмент принимает форму обрабатываемой поверхности.

Главные факторы, определяющие качество обработанной поверхности при эластичном шлифовании, — усилие (давление) прижима, зернистость абразива и рабочая скорость шлифования (полирования). 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.. .0,1МПа

Кроме высокоскоростного, применяют низкоскоростное полирование (со скоростью 0,15...1 м/с) при неподвижной ленте и вращении детали. Часто при этом абразивной ленте сообщается осцилирующее движение.

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 поверхностъ после суперфиниширования получает упрочнение.

При суперфинишировании коротких поверхностей продольная подача равна 0. Тогда оно называется врезным и длина бруска должна быть несколько больше, чем длина обрабатываемой поверхности. В подшипниковой промыш­ленности широко используется бесцентровая схема ориентации подвергаемых суперфинишированию роликов с помощью двух подающее-базируюших валков, оси которых скрещиваются.

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, незака­ленных 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 AСП).

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 при твердости НRСэ обраба­тываемого материала принимаются следующие степени твердости брусков:

НRСэ ........ 10...20 25...35 40...50 55...60 60...65

Твердость брусков…..СМ1 МЗ...СМ1 МЗ М1...М2 ВМ2...М1

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.

Рекомендуемые значения давления бруска на суперфинишируемую сталь­ную поверхность для брусков зернистостью М20 составляют 0,3...0,4 МПа, для брусков зернистостью М14...М5 — 0,2…0,3 МПа, а для брусков зернистостью МЗ...М1 — 0,15...0,2 МПа. При обработке, металлов, имеющих малую твердость, давление следует уменьшать до 0,1...0,2 МПа. В ряде случаев рабочие циклы суперфиниширования осуществляют с переменным давлением: вначале обработка проводится при пониженном на 20...40 % давлении, затем его повышают до ре­комендуемого и в конце опять снижают. Интервалы длительности этапов данного цикла относятся как 2:3:5.

Продольную подачу при суперфинишировании поддерживают обычно в пределах 0,5...1,2 м/мин. Припуск на суперфиниширование зависит от исходной и требуемой шероховатости.

При суперфинишировании закаленных сталей в качестве ООЖ 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 СОЖот отходов обработки.

Суперфиниширование при наличии достаточного припуска в значительной степени исправляет некруглость (огранку). После обработки она может быть снижена до 0,3...0,7 мкм. Степень и быстрота исправления зависят от способа передачи давления на брусок. Лучшие результаты получаются, если давление на брусок передается непосредственно от штока гидро- или пневмоцилиндра. В та­ком случае исходная некруглость в 3...5 мкм исправляется до 0,8. ..1,5 мкм за 30 с и до 0,3...0,7 мкм за 60...90 с. Точность формы детали в продольном направлении зависит от соотношения длины бруска и обрабатываемой поверхности, а также от перебега бруска за ее край. При суперфинишировании с продольной подачей перебег заготовки составляет 0,25...0,33 длины бруска,

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.

Как правило, доводку выполняют после шлифования. Припуск при довод­ке определяется параметром исходной шероховатости, 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)припуска. 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 по­казали, что неплоскостностъ притиров также приводит к появлению погрешно­сти формы детали в поперечном сечении (некруглости). Однако вклад формы притира в общую погрешность формы детали составляет всего 21%, аисходной погрешности формы заготовки - 56%. Некруглость доведенных деталей можно уменьшить за счет уменьшения давления от действия силы Р, увеличения отно­шения частот вращения притиров и вала эксцентрика-держателя, за счет умень­шения эксцентриситета