Абразивно-жидкостная отделка

Отделка объемно-криволинейных и фасонных поверхностей обычными методами вызывает большие технологические труд­ности. Она требует использования сложных кинематических схем станков и дорогого режущего инструмента. Метод абразивно-жид­костной отделки позволяет решить задачу сравнительно просто.

На обрабатываемую поверхность со следами предшествующей обработки подают струю антикоррозионной жидкости со взвешен­ными частицами абразивного порошка (рис. 88, а). Водно-абразивная суспензия перемещается под давлением с большой скоростью. Частицы абразива ударяются о поверхность заготовки и сглаживают микронеровности, создавая эффект полирования. Интенсивность съема обрабатываемого материала регулируют зер­нистостью порошка, давлением струи и углом β. Изменяя скорость полета и размер свободных абразивных зерен, можно увеличить или уменьшить степень пластической деформации и шероховатость поверхности. Одновременно с получением необхо­димого микрорельефа этот способ обработки создает полезное поверхностное упрочнение. Степень упрочнения поверхности воз­растает пропорционально увеличению размера абразивных зерен в струе.

Жидкостная пленка, покрывающая обрабатываемую поверх­ность, играет очень важную роль. Абразивные зерна, попадаю­щие на микровыступы, легко преодолевают сопротивление пленки и удаляют металл. Те же зерна, которые попадают на впадины, встречают большее сопротивление жидкости, и съем материала замедляется. Шероховатость поверхности уменьшается.

Водная эмульсия может подаваться на обрабатываемую по­верхность совместно с воздухом. Поэтому отдельные абразивные частицы не имеют водной пленки, что немного повышает эффект резания. Если струю подают без воздуха, каждая частица абра­зива оказывается окруженной водной пленкой. Эффект резания в этом случае снижается, а обработанная поверхность становится более блестящей.

В качестве абразива часто применяют электрокорунд. В суспен­зии содержится 30—35% абразива (по массе).

На рис. 88, б показана схема жидкостного полирования. Обрабатываемая заготовка 3 сложного профиля перемещается (v1, snp) в камере 4 таким образом, что все ее участки подвергаются полированию. Абразивная суспензия 1, помещенная в баке 2, подается насосом 6 в рабочую камеру через твердосплавное сопло 5. Обработанная суспензия падает обратно в бак 2 и может быть ис­пользована многократно. Более экономичной считают ту установку, которая полнее преобразует потенциальную энергию сжатого воз­духа в кинетическую энергию, получаемую абразивными части­цами. Для работы могут быть использованы одновременно два сопла. Наибольший съем металла получают при угле β = 45°.

Метод жидкостного полирования особенно успешно применяют при обработке фасонных внутренних поверхностей. В этом случае сопло вводят в полость заготовки, которая совершает вращатель­ные и поступательные перемещения в зависимости от профиля полируемой поверхности.

Жидкостное полирование, так же как и полирование эластич­ными кругами и лентами, не повышает точности размеров и формы, а только уменьшает шероховатость поверхности.

Лекция 30. Методы отделочной отработки поверхностей (продолжение)

Притирка поверхностей

Поверхности деталей машин, обработанные на металлорежу­щих стайках, всегда имеют отклонения от правильных геометри­ческих форм и заданных размеров. Эти отклонения могут быть незначительными. Волнистость, неплоскостность, нецилиндричность и другие погрешности, возникающие на заготовках после обработки и невидимые невооруженным глазом, могут быть устра­нены притиркой (доводкой). Этим методом достигается наивысшая точность и наименьшая шероховатость поверхности.

Процесс осуществляют с помощью притиров соответствующей геометрической формы. На притир наносят притирочную пасту или мелкий абразивный порошок со связующей жидкостью. Ма­териал притиров должен быть, как правило, мягче обрабатывае­мого материала. Паста или порошок внедряются в поверхность притира и удерживаются ею, но так, что при относительном дви­жении каждое абразивное зерно может снимать весьма малую стружку. Поэтому притир можно рассматривать как очень точный абразивный инструмент, зерна которого одновременно обрабаты­вают всю или часть поверхности заготовки.

Притир или заготовка должны совершать разнонаправленные движения. Наилучшие результаты дает процесс, в ходе которого траектории движения каждого зерна не повторяются. Микроне­ровности сглаживаются за счет совокупного химико-механического воздействия на поверхность заготовки. Вначале микронеровности соприкасаются с притиром по малой контактной площади — сре­заются только их вершины. Этот этап обработки характеризуется большими давлением и пластическим деформированием поверх­ности. С увеличением контактной площади давление уменьшается, снижается толщина съема металла. На последнем этапе обработки удаляются в основном окисные пленки, образующиеся на поверх­ности.

Большую роль играет вязкость связующей жидкости. Толщина жидкостного слоя между притиром и заготовкой должна быть меньше величины выступающих из притира режущих зерен и определяется вязкостью жидкости. Если толщина жидкостного слоя будет больше размеров абразивных зерен, то процесс при­тирки прекратится, так как зерна не будут соприкасаться с обра­батываемой поверхностью.

В качестве абразива для притирочной смеси используют по­рошки электрокорунда, карбида кремния, карбида бора, окиси хрома, окиси железа и др. Притирочные пасты состоят из абра­зивных порошков и химически активных веществ, например олеиновой и стеариновой кислот, играющих одновременно роль связующего материала.

Рис. 89. Схемы притирки поверхностей

Материалами для притиров являются серый чугун, бронза, красная медь, дерево. В качестве связующей жидкости исполь­зуют машинное масло, керосин, стеарин, вазелин.

Схема притирки наружной цилиндрической поверхности при­ведена на рис. 89, а. Притир 1 представляет собой втулку с прорезями, которые необходимы для полного прилегания при­тира под действием сил Р к обрабатываемой поверхности по мере ее обработки. Притиру сообщают возвратно-вращательное движе­ние Vx и одновременно возвратно-поступательное движение v2. Возможно также равномерное вращательное движение заготовки 2 с наложением на него движения v2. Аналогичные движения осу­ществляются при притирке отверстий (рис. 89, б), однако притир должен равномерно разжиматься действием сил Р. Приведенные схемы осуществляют вручную и на металлорежущих станках.

Плоские поверхности можно притирать также вручную или на специальных доводочных станках (рис. 89, в). Заготовки 4 располагают между двумя чугунными дисками 3 в окнах сепара­тора 5. Диски-притиры имеют плоские торцовые поверхности и вращаются в противоположных направлениях и с разными часто­тами вращения. Сепаратор относительно дисков расположен эксцентрично на величину е. Поэтому при вращении дисков при­тираемые детали совершают сложные движения со скольжением, и металл снимается одновременно с их параллельных торцов. Станок можно использовать и для доводки коротких цилиндри­ческих деталей с отверстиями, с помощью которых они ориенти­руются в сепараторе.

Разновидностью притирки является доведение двух сопрягаю­щихся в собранной машине деталей до нужной плотности контакта (в частности, для герметизации). Это достигается трением одной детали о поверхность другой при наличии в стыке абразивного ворошка со связующей жидкостью. По окончании процесса детали промывают.

Хонингование

Хонингование применяют для получения отверстий высокой точности и малой шероховатости, а также для создания специфи­ческого микропрофиля обработанной поверхности в виде сетки. Такой профиль необходим для удержания на стенках отверстия смазки при работе машины (например, двигателя внутреннего сгорания). Чаще обрабатывают сквозные и реже ступенчатые от­верстия, как правило, неподвижно закрепленных заготовок.

Поверхность заготовки обрабатывают мелкозерпистыми абра­зивными брусками, которые закрепляют в хонинговальной головке (хоне), являющейся режущим инструментом. Инструмент вращается и одновременно движется возвратно-поступательно вдоль оси обрабатываемого отверстия цилиндра высотой h (рис. 90, а). Соотношение скоростей v1 и v2 указанных движе­ний составляет 1,5—10,0 и определяет условия резания. Скорость v1 для стали составляет 45—60, а для чугуна и бронзы — 60—75 м/мин.

Описываемая схема обработки по сравнению с внутренним шлифованием имеет преимущества: отсутствует упругий отжим инструмента, реже наблюдаются вибрации, более плавная работа.

Сочетание движений v1 и v2 приводит к тому, что на обрабаты­ваемой поверхности появляется сетка микроскопических винтовых царапин — следов перемещения абразивных зерен. Угол 0 пере­сечения этих следов зависит от соотношения скоростей. Поэтому необходимый вид сетки на поверхности отверстия можно полу­чать в ходе хонингования. На рис. 90, б дана развертка внутренней цилиндрической поверхности заготовки и схема обра­зования сетки.

Крайние нижнее 1 и верхнее 2 положения абразивных брусков устанавливают так, чтобы у инструмента создавался перебег п. Он необходим для того, чтобы образующие отверстия получались прямолинейными и оно имело бы правильную геометрическую форму. Совершая вращательное движение, абразивные бруски при каждом двойном ходе начинают резание с новых положений 3 хода с учетом смещения t по углу. Поэтому исключается наложе­ние траекторий абразивных зерен.

Вид сетки на обрабатываемой поверхности можно изменить дополнительными колебательными движениями, сообщаемыми ин­струменту механическим вибратором (вибрационное хонингование). Траектория абразивных зерен представляет собой сложную гипоциклическую кривую. Поэтому на обработанной поверхности воз­никают как бы две сетки, соответствующие черновому и чистовому хонингованию.

Абразивные бруски всегда контактируют с обрабатываемой поверхностью, так как могут раздвигаться в радиальных направ­лениях механическими, гидравлическими или пневматическими устройствами. Давление брусков должно контролироваться. Мини­мальное давление возникает при ультразвуковом хонинговании. В этом случае уменьшается засаливание брусков, так как частицы снятого металла легче отделяются от абразивов.

Хонингованием исправляются такие погрешности предыдущей обработки, как овальность, конусообразность, нецилиндричность и др., если общая величина снимаемого слоя не превышает 0,01—0,2 мм. Погрешности же расположения оси отверстия (на­пример, увод ее или криволинейность) этим методом не исправ­ляются, так как режущий инструмент самоустанавливается по отверстию. Это достигается шарнирным закреплением инструмента в шпинделе, которое может передать только вращательное движе­ние.

Наиболее распространены две схемы процесса хонингования, отличающиеся друг от друга методом осуществления разжима (радиальной подачи) абразивных брусков: 1) с постоянным номи­нальным давлением брусков на заготовку; 2) с дозированной ра­диальной подачей брусков на каждый двойной ход головки. Пер­вую схему применяют чаще.

Различают предварительное и чистовое хонингование. Предва­рительное хонингование используют для исправления погрешно­стей предыдущей обработки, а чистовое — для получения малой шероховатости поверхности.

Хонинговальные бруски изготовляют из электрокорунда или карбида кремния, как правило, на керамической связке. Для чи­стового хонингования хорошие результаты дают бруски на баке­литовой связке. Используют бруски зернистостью 3—8, а также М20 и М28. Все шире применяют алмазное хонингование, главное преимущество которого состоит в эффективном исправлении по­грешностей геометрической формы обрабатываемого отверстия.

Бруски закрепляют в державках хона приклеиванием ацетоно-целлулоидным клеем или жидким стеклом. Державки распола­гают равномерно по цилиндрической поверхности хонинговальной головки. Конструкции головок предусматривают расположение в них механизма радиального перемещения державок с брусками. Кроме того, головки имеют устройства для регулирования поло­жения брусков.

Число брусков в хонинговальной головке должно быть кратно трем. Поэтому в головке всегда найдутся три бруска, которые будут обрабатывать реальную поверхность отверстия, имеющего погрешности формы от предыдущей обработки, и превращать ее в поверхность, близкую к круговому цилиндру.

Хонингование производят при обильном охлаждении зоны ре­зания. Смазочно-охлаждающими жидкостями являются керосин, смесь керосина (80—90%) и веретенного масла (20—10%), а также водно-мыльные эмульсии. Жидкости способствуют удалению абра­зивных зерен, оставшихся в порах обрабатываемых поверхно­стей.

Для хонингования используют одно - и многошпиндельные станки. Некоторые станки оснащают устройствами, позволяющими измерять на ходу обрабатываемое отверстие и выключать станки по достижении необходимого размера отверстия.

Суперфиниш

Суперфинишем в основном уменьшают шероховатость поверх­ностей, оставшуюся от предыдущей обработки. При этом изме­няются высота и вид микровыступов, обработанные поверхности имеют сетчатый рельеф, а каждый микровыступ округляется и поверхность становится очень гладкой. При этом возникают более благоприятные условия взаимодействия трущихся поверхностей. Суперфинишем обрабатывают плоские, цилиндрические (наруж­ные и внутренние), конические и сферические поверхности из за­каленной стали, реже из чугуна и бронзы.

Поверхности обрабатывают абразивными брусками, устанав­ливаемыми в специальной головке. Характерным для суперфиниша является колебательное движение брусков наряду с движением заготовки. Процесс резания происходит при давлении брусков (0,5—3,0) 105 Н/м2 и в присутствии смазки малой вязкости.

Схема обработки наружной цилиндрической поверхности при­ведена на рис. 91, а. Плотная сетка микронеровностей со­здается сочетанием трех движений: вращательного sкp заготовки, возвратно-поступательного snp и колебательного брусков со ско­ростью v. Амплитуда колебаний брусков составляет 1,5—6,0 мм, а частота 400—1200 колебаний в минуту. Движение snp ускоряет процесс съема металла и улучшает однородность поверхности. Бруски, будучи подпружиненными, самоустанавливаются по об­рабатываемой поверхности. Соотношение скоростей sкp и v в начало обработки составляет 2—4, в конце 8—16. Процесс характеризуется сравнительно малыми скоростями резания (5—7 м/мин).

Важную роль играет смазочно-охлаждающая жидкость. Мас­ляная пленка покрывает обрабатываемую поверхность, но наибо­лее крупные микровыступы (рис. 91, б) прорывают ее и в пер­вую очередь срезаются абразивом. Давление брусков на выступы оказывается большим. По мере дальнейшей обработки давление снижается, так как все большее число выступов прорывает мас­ляную пленку. Наконец наступает такой момент (рис. 91, в), когда давление бруска не может разорвать пленку, она становится сплошной. Создаются условия для жидкостного трения. Процесс отделки автоматически прекращается. В качестве жидкости ис­пользуют смесь керосина (80—90%) с веретенным или турбинным маслом (20—10%).

Рис. 91. Схема отделки суперфинишированием

При обработке сталей лучших результатов достигают при при­менении брусков из электрокорунда, при обработке чугуна и цвет­ных металлов — при применении брусков из карбида кремния. В большинстве случаев применяют бруски на керамической или бакелитовой связке. Большое влияние на ход процесса оказывает твердость брусков. Если твердость при обработке данного мате­риала завышена, бруски засаливаются и плохо режут; если твер­дость занижена, происходит непрекращающееся самозатачивание и бруски быстро изнашиваются, поверхность оказывается низкого качества.

Применение алмазных брусков увеличивает не только произ­водительность обработки, но и стойкость инструмента в 80—100 раз. Алмазные бруски работают на тех же режимах, что и абразивные, но с давлением, большим на 30—50%.

Величина и форма абразивных брусков зависят от размера и конфигурации обрабатываемой заготовки. Для коротких открытых участков детали длина брусков должна быть равна длине обраба­тываемой поверхности или немного больше ее, при наличии усту­пов с двух сторон длина брусков немного меньше длины обрабаты­ваемой поверхности. Чаще для суперфиниша применяют два бру­ска, а при обработке крупных деталей — три или четыре.

Обычно суперфиниширование не устраняет погрешностей формы, полученных на предшествующей обработке (волнистости, конусообразности, овальности и др.), но при усовершенствовании процесса можно снимать увеличенные слои металла, использовать особые режимы обработки. В этом случае погрешности предыду­щей обработки значительно уменьшаются.

Дальнейшим развитием суперфиниша является микрофиниш, который характеризуется повышенным давлением абразивных брусков на поверхность и жесткой фиксацией их после подхода к заготовке. Микрофиниш значительно уменьшает погрешности предшествующей обработки.