Т 14 Обробка на шліфувальних верстатах

Особливості шліфування. Шліфування виконується особливим видом інструментів – шліфувальними кругами, абразивні зерна яких є ріжучими елементами. Абразивні зерна в інструменті закріплені зв'язуючим компонентом – зв'язкою з обов'язковою наявністю пор. Особливістю шліфування є одночасне мікрорізання декількома зернами, кожне з яких має декілька ріжучих лез з різними кутовими параметрами. В різанні звичайно бере участь одночасно велика кількість абразивних зерен, леза яких, кожне маючи малі розміри, утворюють ріжучу поверхню. Шліфування протікає при великих швидкостях різання (20-40 м/с), що доходять при швидкісному шліфуванні до 90 м/с, і знятті стружки малих перерізів. Процес шліфування супроводжується високими температурами різання (1000⁰С – 1500⁰С), що вимагає значного охолоджування і оптимальних режимів шліфування.

Схеми шліфування. Найбільш поширеними видами шліфування є кругле зовнішнє і внутрішнє, плоске, безцентрове, фасонне, зубошліфування і різьбошліфування. Процес шліфування звичайно здійснюється за допомогою трьох рухів: обертання шліфувального круга (головний рух різання), обертання або зворотно-поступального руху оброблюваної деталі і руху подачі, здійснюваного кругом або оброблюваною деталлю.

Обробка на круглошліфувальних верстатах. Існує три способи круглого зовнішнього шліфування: 1) з повздовжньою подачею; 2) глибинне шліфування, тобто шліфування за один прохід; 3) метод врізання. При круглому зовнішньому шліфуванні круг і оброблювана деталь обертаються в одну сторону. При шліфуванні з повздовжньою подачею і глибинному шліфуванні повздовжня подача здійснюється за рахунок руху оброблюваної деталі.

При шліфуванні методом врізання подача здійснюється переміщенням круга. При шліфуванні з повздовжньою подачею відносно довгих деталей поперечний рух подачі шліфувальним кругом проводиться переривчасто на кожний подвійний хід столу (після закінчення циклу). Такий спосіб називається осцилюючим шліфуванням.

При глибинному шліфуванні немає поперечної подачі. При врізному – тільки рух поперечної подачі. По цій схемі обробляють шийки колінчастих валів, плунжери, кільцеві канавки.

При обробці невеликих по довжині конусних поверхонь шліфувальний круг заправляють на конус (кут a). При великій довжині конусної поверхні заготовка консольно закріпляється в шпинделі передньої бабки верстата, яка повертається відносно поздовжньої осі столу на кут a (на сучасних круглошліфувальних верстатах верхня частина столу повертається на кут до 7⁰).

На внутрішньошліфувальних верстатах обробляють внутрішні поверхні. При цьому шліфувальний круг і заготовка обертаються в різних напрямах. Рухи повздовжньої і поперечної подач прикладені звичайно до шліфувального круга. Внутрішнє шліфування протікає в більш важких умовах, ніж зовнішнє, через наступні причини: діаметр шліфувального круга завжди менше діаметра отвору, навантаження на зерно вище, оскільки велика поверхня контакту, більше знос круга, мала жорсткість шпинделя, ускладнена подача ЗОР. Тому внутрішнє шліфування проводиться з глибиною різання і подачею приблизно в 2 рази менше ніж при зовнішньому.

На плоскошліфувальному верстаті заготовка встановлюється на плоскому столі і закріплюється або механічно, або частіше на магнітній плиті. Заготовці надають зворотно-поступальний рух D_{з пр .} Переривчастий рух поперечної подачі передається шліфувальному кругу на подвійний хід столу. Рух подачі круга на глибину різання D_Sв здійснюється в крайніх положеннях столу. Плоске шліфування здійснюється периферією круга або торцем круга. Перший спосіб застосовують при обробці нежорстких деталей; другий – при обробці масивних, жорстких деталей. При плоскому шліфуванні знос круга більш інтенсивний, оскільки більше поверхня контакту заготовки з кругом, особливо при торцевому шліфуванні (чашоподібний круг). Закріплення заготовок на магнітній плиті забезпечує швидкий і надійний притиск заготовок, що мають поверхню базування. Недолік – неможливість закріплення немагнітних деталей, небезпека деформації тонких заготовок, намагнічення деталей.

Безцентрове кругле зовнішнє шліфування. Суть безцентрового шліфування полягає в тому, що заготовка в процесі обробки не закріплюється в центрах або інших пристосуваннях, а базується на опорному ножі верстата і ведучому крузі. Обробка заготовки 2 полягає в наступному. Шліфувальний 3 і ведучий 1 круги обертаються з різною частотою. Колова швидкість шліфувального круга в 50-60 разів вище за колову швидкість ведучого круга. Конструктивно провідний круг виконаний так само, як і шліфувальний, але на основі в'язких вулканітових зв'язуючих речовин, що забезпечують контакт із заготовкою практично без ковзання. В цьому випадку миттєва колова швидкість в точці А (точці контакту) буде однаковою для заготовки і ведучого круга. На рисунку показана схема безцентрового шліфування напрохід. Для забезпечення переміщення заготовки вздовж осі шліфувального круга у ведучого круга передбачений нахил у вертикальній площині на 0-8⁰ до осі шліфувального круга. Вектор кутової швидкості ведучого круга розкладається на складові відносно заготовки: вертикальну – вектор кутової швидкості заготовки і горизонтальну – вектор швидкості переміщення заготовки уздовж своєї осі. Тоді колова швидкість заготовки (м/хв.) . Швидкість поздовжнього переміщення заготовки по напряму ножа , де α - кут нахилу ведучого круга; k – коефіцієнт проковзування. Змінюючи кут нахилу ведучого круга, можна змінювати кутову швидкість і швидкість поступального руху заготовки.

Робоча поверхня шліфувального круга складається з 4 ділянок, кожна з яких виконує свою функцію. Ділянка a –забірний конус, кут його нахилу сприяє безперешкодному входженню заготовки в зону різання з граничними значеннями припуску. Висота цього конуса 10-30 мм. Основну частину круга по висоті займає робочий конус b, який знімає припуск із заготовки і забезпечує рівномірність його знімання. Циліндрична калібруюча зона с забезпечує заданий параметр шорсткості поверхні. Довжина калібруючої ділянки не більше 110 мм. Зона d має зворотну конусність і слугує для напряму заготовки після обробки. Довжина цього конуса не перевищує 20-30 мм.

Окрім заготовок, що мають форму тіл обертання, існує велика група заготовок, що мають складні фасонні поверхні: зубчаті колеса, шліцьові вали, копіри і так далі. Ці поверхні обробляють на спеціальних верстатах і спеціальними шліфувальними кругами.

Елементи режиму різання при шліфуванні

Основними елементами режиму різання при шліфуванні є: колова швидкість круга v_кр, колова швидкість (переміщення) заготовки v_з, глибина різання t і подача S.

Швидкість обертання шліфувального круга v_к є швидкістю різання, що визначається за формулою м/с, де D_к – діаметр круга, мм; n_к – число обертів круга в хвилину. Швидкість різання повинна бути можливо великою і обмежуватися головним чином міцністю круга. При звичайному шліфуванні швидкість різання 35-40 м/с, при швидкісному до 90 м/с. Швидкість обертання оброблюваної деталі в десятки разів менше швидкості обертання круга (при чорновій обробці V_дет=20-85м/хв., при чистовій V_дет=15-50 м/хв. (при зовнішньому круглому шліфуванні)).

Глибина різання рівна поперечній подачі на подвійний повздовжній хід деталі. При чорновому шліфуванні сталі t = 0,01-0,07мм/подв.хід;

при чистовому t = 0,005-0,02м/подв.хід. Для плоского шліфування глибину різання t приймають залежно від товщини деталі в межах 0,05-0,1 мм. Більше значення t беруть для більш жорстких деталей.

Поздовжню подачу вибирають залежно від ширини круга В. Для чорнового шліфування , для чистового – . Подача S вимірюється в мм на 1 оберт оброблюваної деталі. Режими різання при шліфуванні призначають за допомогою довідникових даних.

Сили різання при шліфуванні. У абразивного інструменту на відміну від лезового (різців, свердел, фрез) немає єдиної ріжучої кромки. Елементи шару, що зрізається, при шліфуванні відносять не до одиничних ріжучих зерен, а до їх сукупності – ріжучої поверхні абразивного інструменту. На рисунку представлена схема складових сили різання при зовнішньому круглому шліфуванні в центрах. Сумарну силу різання Р, діючу на шліфувальний круг, розкладають на три складові, які можна виміряти трьохкомпонентними динамометрами в процесі шліфування. Найбільший вплив на якісні показники оброблюваної заготовки чинить нормальна складова сили різання Р_у. При круглому шліфуванні її називають радіальною. Вона перешкоджає зануренню шліфувального круга в заготовку і направлена перпендикулярно до ріжучої поверхні круга. Тангенціальна сила Р_z в 1,5-3 рази менше від Р_у, а осьова сила Р_х значно менше сили Р_z. Сили різання при шліфуванні звичайно невеликі (в середньому 300-400 Н), але потужність може бути значною, зважаючи на велику швидкість різання. В окремих випадках силою різання можна активно керувати шляхом вибору оптимальних режимів різання, режимів правки, гарної подачі ЗОР. Оскільки тангенціальна складова сили різання Р_z діє у напрямі руху різання, то саме вона визначає значення ефективної потужності. Формули для визначення Р_z і N_e дослідно-статистичні.

Конструкції абразивних інструментів

Конструктивні особливості абразивних інструментів розглянемо на прикладі шліфувального круга по його маркуванню: ПП500´60´305 34А40СТ26К5 35 м/с А1кл. В маркування входять: 1) вид круга і його розмір (ПП500´60´305); 2) марка абразивного матеріалу (34А); 3) індекс зернистості (40); 4) твердість (СТ2); 5) структура (6); 6) зв'язка (К5); 7) допустима окружна швидкість (35 м/с); 8) клас точності (А); 9) клас неврівноваженості (1 кл.).

1. Вид круга визначається формою його перетину. Наприклад: ПП – плоский прямого профілю; ПВ – плоский з виточкою; ЧЦ – чашоподібний циліндричний; ЧК – чашоподібний конічний; Т – тарілчастий та ін. Види алмазних кругів по ГОСТ 16167-70: АПП (1А1 по ГОСТ 16167-80) – плоский прямого профілю; А1ПП (А8) – плоский прямого профілю без корпусу; АПВ (6А2) – плоский з виточкою; АЧК (12А2) – чашоподібний конічний та ін. Ельборові круги позначають буквою “Л”. Наприклад: ЛПП (1А1); Л1ПП (А8) і т.д.

2. Марка матеріалу. В якості абразивного матеріалу широко використовуються: електрокорунд, карбід кремнію, алмаз, ельбор.

Електрокорунди (кристалічний окис алюмінію Al₂O₃) випускаються наступних різновидів: нормальний (13А – 16А), білий (22А – 25А), хромовий (32А – 34А), титановий (37А), цирконієвий (38А), монокорунд (43А – 45А). По мірі збільшення номера індексу росте процентний вміст Al і збільшується ріжуча здатність. Застосовуються для обробки загартованих сталей.

Карбід кремнію (карборунд) містить 97-99 % SiC і незначні домішки інших елементів. Різновиди: чорний (53С, 54С) і зелений (63С і 64С). Зелений більш крихкий і застосовується для обробки чавуна, кольорових металів. Чорний більш міцний і застосовується в більш важких умовах обробки.

Алмазні круги (за винятком А8 без корпусу до Æ 13 мм) складаються з корпусу (алюміній, сталь) і закріпленого на ньому алмазоносного шару завтовшки 1,5-5 мм. В інструментах природний алмаз позначається А, а синтетичний АС. Марки алмазів по ГОСТ 9206-70: АСО (АС2 по ГОСТ 9206-80) – алмаз синтетичний звичайної міцності; АСР (АС4) – підвищеної міцності; АСВ (АС6) – високої міцності; АСК (АС15) – кристали; АСС (АС32) – монокристали; АСБ (АРВ1) – баллас; АСПК (АРК4) – карбонадо. Баллас і карбонадо на металевій зв'язці забезпечують дуже високу продуктивність. Зернистість алмазних (всіх) порошків: шліфзерно – 2000-160 мкм; шліфпорошки – 125-40 мкм; мікропорошки – 63-14 мкм; тонкі шліфпорошки – 10-3 мкм. Абразивний інструмент з природного і синтетичного алмазів застосовують для обробки заготовок з твердих сплавів, скла, кераміки, заточувань ріжучого інструменту. Маркування алмазних і ельборових кругів відрізняється від маркування абразивних. Алмазні круги крім буквеного позначення і форми мають ще цифрове позначення кожного типорозміру інструменту. Приклад маркування алмазних кругів:

2724 – 0023 ГОСТ 16172-80 АС4 100/80 – Б1 – 100 1979 р. N 79-82 Ñ.

типорозмір круга зв'язка заводський

номер круга товарний знак

марка і зернистість порошку заводу

концентрація алмаза в

алмазоносному шарі %

 

За 100 %-у концентрацію алмазів приймають четверть об'єму алмазоносного шару, тобто 25 % алмазів в 1 см³ алмазоносного шару.

Ельбор – позначається буквою Л. Зернистість ельбору позначають подібно абразивним кругам: шліфзерно і шліфпорошки (Л20 – Л4) в сотих або десятих частках міліметра, мікрошліфпорошки (ЛМ63 – ЛМ5) і особливо дрібні шліфпорошки (ЛМ3 – ЛМ1) в мікрометрах. Застосовуються для труднооброблюваних жароміцних сталей і сплавів. Марки – ЛО, ЛП, ЛД, ЛОМ.

3. Зернистість шліфувального круга вибирають залежно від чистоти і точності обробки, властивостей оброблюваного матеріалу, величини контакту круга з деталлю. При чистовому шліфуванні потрібно використовувати зерно менше; для м'яких і в'язких металів - зерно крупніше; для твердих і крихких – дрібнозернисте.

4. Під твердістю абразивного інструменту розуміють здатність зв'язки чинити опір вириванню абразивних зерен з поверхні інструменту в процесі різання. Із зерен твердого абразивного матеріалу можна виготовити твердий і м'який абразивний інструмент. Чим вище твердість, тим більше зв'язки і менше пор, тим міцніше зв'язок між абразивними зернами в інструменті. Абразивні інструменти мають різні ступені твердості – від надзвичайно твердих (ЧТ) до надзвичайно м'яких (ЧМ), а також вельми м'які (ВМ), м'які (М), середньом’які (СМ), середні (З), тверді (Т) і вельми тверді (ВТ). Певній твердості завжди відповідає певний об'єм пор %:

Твердість	М1	М2	М3	СМ1	СМ2	С1	С2	СТ1	СТ2	СТ3
Об’єм пор	46,5		43,5		40,5		37,5		34,5

Якщо виривання зерен буде рівномірне по всій робочій поверхні круга, то відбудеться його самозаточування. Чим твердіше оброблюваний матеріал, тим м'якше повинен бути круг і навпаки. В'язкі метали (алюміній, мідь) шліфують м'якими кругами.

5. Структура шліфувального круга. Процентне співвідношення трьох основних фазових складових – зерен, зв'язки і пор в об'ємі абразивного інструменту називають структурою. Структури абразивних інструментів позначають номерами від 0 до 20 (0, 1, 2, 3,…, 20). Структури поділяють на закриті (1 – 4), середні (5 – 8) і відкриті (9 – 12). Структури 13 - 20 – високопористі. Наприклад, у інструменту із структурою “0” об'ємна концентрація зерен 62 %, а із структурою “20” – 22 %. Основні операції попереднього і остаточного шліфування проводять інструментом середніх (5, 6, 7, 8) структур. Інструменти з щільними структурами (0 – 3) використовують для доведення, прецизійного шліфування. Але інструмент з більш відкритою структурою володіє меншою міцністю, швидше втрачає форму профілю.

6. Зв'язка інструментів. Всі зв'язки абразивних інструментів підрозділяють на три групи: органічні, мінеральні і металеві. До органічних відносяться: бакелітова (Б), вулканітова (В), гліфталева (Г) – (синтетичні смоли з гліцерину). Органічна зв'язка забезпечує хороше самозаточування круга, вона достатньо міцна і в'язка, але має малу теплоємність (150 – 250 ⁰С). Швидкість до 75 м/с.

Керамічні зв'язки (К) забезпечують високу міцність, більш теплостійкі, але відрізняються крихкістю. Швидкість до 65 м/с. Основа: вогнетривка глина, борне скло, польовий шпат та ін.

Металеві зв'язки (М) відрізняються високою міцністю і зносостійкістю. Алмазні і ельборові круги часто виготовляють на металевих зв'язках. На керамічній зв'язці випускають 50 % загального виробництва.

Клас точності і неврівноваженості шліфувальних кругів. Шліфувальні круги виготовляють трьох класів точності АА, А, Б. Залежно від допустимих неврівноважених мас для абразивних кругів по ГОСТ 3060-86 встановлено 4 класи неврівноваженості 1, 2, 3, 4. Точність балансування для всього діапазону діаметрів і висот кругів не повинна перевищувати 12 г – межі допуску на дисбаланс.

Зношування і стійкість кругів. Зношування кругів виявляється не тільки в затупленні ріжучих кромок, але і у викришуванні зерен, засалюванні. Правильно підібраний круг працює в частковому режимі самозаточування. Відновлення ріжучої здатності круга і профілю ріжучої поверхні досягається правкою. Час роботи від однієї правки до іншої називається періодом стійкості. Період стійкості абразивних кругів складає 5 – 60 хвилин.

Правка і балансування шліфувальних кругів. Правку здійснюють різними способами: обточуванням алмазами, шліфуванням кругами з карбіду кремнію, шліфуванням алмазно-металевими роликами. Величина шару круга, що знімається при правці, складає 0,02 – 0,1 мм. Неврівноваженість круга приводить до вібрації, підвищеного зносу і погіршення якості. Найбільш просте статичне балансування. Всі балансуючі пристрої засновані на принципі переміщення корегуючих мас. На робочому фланці круга в пазах розташовані сухарі (звичайно три), переміщаючи які, проводять балансування. Перед видачею на верстат шліфувальний круг випробовують на розрив при числі оборотів в 1,5 разу більше від робочого.

Зернистість інструменту характеризує розмір зерен основної групи. Шліфзерно сортують спеціальними ситами з розміром отворів 200 – 16 мкм, а шліфпорошки з розміром отворів 12 – 3 мкм. Зернистість шліфувального матеріалу на абразивному інструменті вказують в десятках мікрометрів, наприклад зернистість 40 означає середній розмір зерен 400 мкм.

Дрібні зерна називають мікропорошками (М63 –М14) або тонкими порошками (М10 – М5).