Содержание страницы
Шлифование – процесс обработки заготовок резанием абразивным инструментом (кругами, брусками, абразивным инструментом на гибкой основе, свободным абразивом). Абразивные зерна расположены в кругах беспорядочно и удерживаются связующим материалом. При вращении круга в зоне его контакта с обрабатываемой поверхностью часть зерен срезает материал заготовки. Обработанная поверхность представляет собой совокупность микроследов воздействия абразивных зерен, поэтому иногда шлифование определяют как управляемое изнашивание заготовки. Скорость резания при шлифовании 30–100 м/с. Шлифованием можно производить чистовую обработку заготовок из различных материалов, имеющих разную твердость (для заготовок из закаленных сталей – это основной способ обработки).
1. Особенности процесса резания при шлифовании
Абразивный инструмент, в отличие от лезвийного инструмента, имеет множество режущих микролезвий, расположенных хаотично. Единичное зерно шлифовального круга может располагаться на некотором расстоянии от обрабатываемой поверхности, скользить по обработанной поверхности (скользящие зерна), проникать в обработанную поверхность на небольшую глубину и деформировать материал заготовки только пластически (деформирующие зерна), проникать в обработанную поверхность на глубину, достаточную для снятия стружки (режущие зерна). По сравнению с лезвийной обработкой шлифование характеризуется повышенным сопротивлением резанию, поскольку скользящие зерна создают дополнительное трение, деформирующие зерна – дополнительные упругую и пластическую деформации, а у режущих зубьев углы резания неоптимальные. Кроме того, сила резания на единичном зерне больше, но так как снимаются микростружки, суммарная сила резания невелика. За счет дополнительного трения и деформаций температура в зоне резания значительно выше, чем при лезвийной обработке, поэтому возможны структурные превращения металла в зоне резания (прижоги). Стружка сгорает на воздухе в виде снопа искр, что требует дополнительных мер пожарной и санитарной безопасности.
2. Износ, стойкость и правка кругов
В процессе шлифования режущие свойства круга изменяются. Абразивные зерна затупляются, частично раскалываются, выкрашиваются; поры между зернами забиваются отходами шлифования (круг «засаливается»); поверхность круга теряет свою первоначальную форму. Как следствие, возрастают сила и температура резания; точность обработки снижается, увеличивается вероятность прижогов. Однако при выламывании затупившихся зерен на поверхности круга обнажаются новые, заостренные зерна, т. е. круг частично самозатачивается. В этом смысле очень важна роль связки (вещества, закрепляющего зерна) и «твердости» круга. При слабом закреплении зерна они быстрее выламываются, круг лучше самозатачивается, но рабочая поверхность круга быстро теряет свою форму, что удобно при черновом шлифовании. При чрезмерном закреплении зерен круг быстро теряет свои режущие свойства, но рабочая поверхность хорошо сохраняется, что удобно при чистовом шлифовании.
Для восстановления геометрии круга и его режущих свойств проводят правку круга. Алмазным или абразивным инструментом снимают часть рабочей поверхности круга. Толщина удаляемого слоя обычно не превышает 0,01–0,03 мм.
Геометрическая стойкость шлифовального круга – время (количество обработанных заготовок) непрерывной работы, после которой необходима правка с целью восстановления геометрических параметров рабочей поверхности. Геометрическую стойкость обычно назначают для чистового шлифования, для шлифования фасонных или конических поверхностей. Физическая стойкость шлифовального круга – время (количество обработанных заготовок) непрерывной работы, после которой необходима правка с целью восстановления режущих свойств рабочей поверхности. Физическую стойкость обычно назначают для чернового шлифования.
3. Испытания и балансировка кругов. Правила техники безопасности
Если установить на станок шлифовальный круг с трещинами или с превышением допустимой для него скорости резания, то при работе его разорвет, поэтому предприятие-изготовитель испытывает каждый выпущенный им круг на наличие трещин и микротрещин. Круги диаметром более 150 мм испытывают на специальных станках при вращении со скоростью, в 1,5 раза превышающей рабочую скорость данного круга. Рабочую скорость обязательно указывают на торце круга. Запрещено хранить круги навалом. При хранении кругов желательно между ними проложить картонные прокладки. Перед установкой круга на станок его необходимо проверить на наличие трещин. Визуальная проверка покажет наличие только больших трещин. Лучше провести проверку на звук. Круг подвешивают на нити и деревянным молотком простукивают. Дребезжащий звук означает наличие микротрещин, круг должен быть забракован. При установке круга на оправку недопустим непосредственный контакт металлических торцов оправки и круга – необходимы картонные прокладки.
При шлифовании возникают автоколебания, вызванные неуравновешенностью шпинделя, электродвигателя, кинематических передач и других частей шлифовального станка. Однако наибольшие колебания возникают при неуравновешенности самого шлифовального круга. Эти колебания опасны тем, что в круге возрастают напряжения (его может разорвать). Наличие этих колебаний значительно ухудшает качество обработки, увеличивается вероятность прижогов, износ круга и станка. Предприятияизготовители и предприятия крупносерийного производства испытывают шлифовальные круги на специальных балансировочных машинах. Выявленный дисбаланс исправляют, заливая свинцом дефектные участки круга. Перед установкой кругов диаметром более 80 мм их вместе с планшайбой балансируют вручную (статическая балансировка).
4. Абразивный инструмент
Абразивные материалы (абразив) – измельченные синтетические или естественные обогащенные зерна, твердость которых превышает твердость обрабатываемого материала. Высокая стабильность физико-механических свойств синтетических абразивных материалов резко ограничила область применения естественных материалов (ГОСТ 21445–84; ГОСТ Р 52381–2005, ГОСТ Р 52588–2011).
В машиностроении применяется ряд абразивных материалов.
Электрокорунд состоит из корунда (А12О3) и небольшого количества примесей. Нормальный электрокорунд содержит 92–95 % корунда, шлак и ферросплавы. Выпускаемые марки: 13А – применяется для абразивного инструмента на органической связке; 14А – для абразивного инструмента на органической и керамической связках; 15А – для абразивного инструмента на керамической связке, в том числе прецизионного класса.
Белый электрокорунд содержит 98–99 % корунда и алюминат натрия. Выпускаемые марки: 23А, 24А – применяется для шлифовальных кругов, абразивной шкурки, для обработки свободным зерном; 25А – для абразивного инструмента на керамической связке, в том числе прецизионного класса.
Хромистый электрокорунд получают в дуговых печах плавкой глинозема с добавкой оксида хрома. Абразив имеет повышенную механическую прочность и абразивную способность. Выпускаются марки: 33А – для абразивного инструмента на керамической связке, абразивной шкурки, для обработки свободным зерном; 34А – для абразивного инструмента на керамической связке, в том числе прецизионного класса, абразивной шкурки, для обработки свободным зерном.
Титанистый электрокорунд марки 37А применяют для инструментов на керамической связке при обработке сталей. Цирконистый электрокорунд марки 38А используют в инструментах для обдирочного шлифования и шлифования с высокими скоростями.
Сферокорунд (марка ЭС) получают в виде полых корундовых сфер. Абразив эффективен при обработке мягких и вязких материалов (кожа, резина, пластмасса, сплавы цветных металлов).
Монокорунд марок 43А, 44А применяют для абразивного инструмента на керамических связках, марки 45А – для абразивного прецизионного инструмента. Корунд марки 92Е используют для полирования деталей из стекла и металлов.
Техническое стекло – бой листового и бутылочного стекла. Марка 71Г применяется для обработки дерева.
Кремень марки 81 применяют для обработки дерева, кожи, эбонита. Карбид кремния – химическое соединение кремния с углеродом.
Черный карбид кремния марок 53С, 54С, 55С применяется для шлифования твердых сплавов, чугуна, цветных металлов, стекла, пластмасс. Зеленый карбид кремния марок 63С, 64С применяется для тонкого шлифования металлорежущего инструмента, твердых сплавов, керамики, правки шлифовальных кругов.
Карбид бора используют для доводочных операций.
Алмаз природный: марка А8 применяется для буровых и правящих инструментов; А5 – для абразивных инструментов на металлической связке, для дисковых пил; A3 – для абразивных инструментов на металлической связке; Al, A2 – для шлифования стекла, керамики и бетона; AM – для полирования деталей из закаленных сталей, стекла; АМ5 – для сверхтонкой доводки и полирования.
Алмаз синтетический: марка АС2 применяется для инструментов на органических связках при чистовой обработке и доводке сталей и твердых сплавов; АС4 – для обработки керамики и других хрупких материалов; АС6 – для работы при повышенных нагрузках; АС15 – для работы в тяжелых условиях при резке стекла, шлифовании керамики и железобетона; АС20, АС32 – при бурении, хонинговании, правке шлифовальных кругов; АРВ1 – при хонинговании чугунов, резке стеклопластика; АСМ – для доводки и полирования закаленных сталей и твердых сплавов; АСМ5, ACMl – для сверхтонкой доводки.
Кубический нитрид бора (эльбор, кубонит) синтезирован из нитрида бора, упакованного в гексагональную решетку; имеет более высокую, чем у алмаза, теплостойкость, не имеет химического сродства к железу. Марки ЛО, ЛП применяются для изготовления абразивного инструмента на органической, керамической и металлической связках, абразивных паст и шкурок; марки КР, КО, КОС – для изготовления шлифовальных порошков.
В зависимости от размера зерен шлифовальные материалы делятся на четыре группы: шлифовальное зерно (160–2000 мкм); шлифовальные порошки (40–125 мкм); микрошлифовальные порошки (14–63 мкм); тонкие микрошлифовальные порошки (3–10 мкм).
Совокупность абразивных зерен шлифовального материала в установленном интервале размеров называют фракцией. Фракцию, преобладающую по массе, объему или числу зерен, называют основной. Характеристику конкретной совокупности абразивных зерен, выраженную размерами зерен основной фракции, называют зернистостью.
При обозначении алмазных шлифовальных порошков указывается марка шлифовального материала, зернистость и стандарт (ГОСТ).
Связка абразивных инструментов – вещество или совокупность веществ, применяемых для закрепления шлифовальных зерен и наполнителя. Связка влияет на геометрию рельефа рабочей поверхности круга, его износ, параметры шероховатости обработанной поверхности.
Керамические связки (от К1 до К10) используются для всех основных видов шлифования, кроме прорезки узких пазов, обдирочных работ: К2, КЗ – для инструмента из карбида кремния; К2 – для мелкозернистого инструмента; К1, К5, К8 – для инструмента из электрокорунда; К1 – для шлифования и заточки алмазным кругом твердосплавного режущего инструмента совместно со стальной державкой или корпусом.
Бакелитовые связки (Б; Б1; Б2; БЗ; Б4; Б156; БП2; БУ) применяются для изготовления кругов с упрочненными элементами для шлифования при скоростях 60–100 м/с: обдирочное шлифование; плоское шлифование торцом круга; отрезка; прорезка пазов; заточка режущих инструментов; шлифование прерывистых поверхностей; для изготовления мелкозернистых кругов для отделочного шлифования, алмазных и эльборовых кругов, хонинговальных брусков.
Вулканитовая, глифталевая, поливинилформалевая связки (В; В1; В2; ВЗ; В5; ГФ; ПФ; Э5; Э6) используются для изготовления ведущих кругов для бесцентрового шлифования, гибких кругов для полирования и отделки (В5), кругов для отрезки, прорезки и шлифования пазов, профильного шлифования.
Металлические связки применяются для изготовления алмазных кругов повышенной износостойкости для обработки твердых сплавов, кругов для электрохимической абразивной обработки.
Органические связки с металлическим наполнителем (Б156; БП2; ТО) применяются для изготовления алмазных кругов для заточки твердосплавного режущего инструмента, шлифования твердосплавных или керамических деталей, профильного шлифования.
Твердость абразивного инструмента – величина, характеризующая его свойство сопротивляться нарушению сцепления между зернами и связкой при сохранении характеристик инструмента в пределах установленных норм. Установлена следующая шкала твердостей: ВМ1, ВМ2 – весьма мягкие; Ml, M2, МЗ – мягкие; СМ1, СМ2 – среднемягкие; С1, С2 – средние; СТ1, СТ2, СТЗ – среднетвердые; Tl, T2 – твердые; ВТ – весьма твердые; ЧТ – чрезвычайно твердые.
Мягкие и среднемягкие круги (Ml, CM2) используют для плоского шлифования кругами на бакелитовой основе, шлифования периферией керамическими кругами, шлифования деталей из твердых сплавов, закаленных сталей, цветных металлов и их сплавов. Среднемягкие и средние связки (СМ2, С2) применяют для чистового шлифования, шлифования резьб с крупным шагом. Средние и среднетвердые круги (С2, СТ2) используют для шлифования и резьбошлифования заготовок из незакаленных сталей, чугуна, вязких материалов, хонингования. Среднетвердые и твердые круги (СТ2, Т2) применяют для обдирочного и предварительного шлифования, шлифования профильных и прерывистых поверхностей, заготовок малого диаметра, бесцентрового шлифования, хонингования закаленных деталей. Весьма твердые и чрезвычайно твердые круги (ВТ, ЧТ) используют для шлифования шариков подшипников, правки шлифовальных кругов.
Структура абразивного инструмента определяется соотношением объемов шлифовального материала, связки и пор. Различают 16 номеров структур. Круги высших номеров структуры изготавливают высокопористыми, поры и капилляры сообщаются между собой за счет использования выгорающего парообразователя, который обязательно указывается в характеристике таких кругов.
Абразивный инструмент на гибкой основе с нанесенным слоем (слоями) абразива, закрепленного связкой, называют шлифовальной шкуркой. Их выпускают на бумажной, тканевой, комбинированной, фибровой и других основах. В зависимости от вида основы и свойств связки различают шкурку водостойкую, неводостойкую, термостойкую и др. В зависимости от числа слоев шлифовального материала, нанесенных на шкурку, различают однои двухслойную шкурку. Если шлифовальный слой нанесен на обеих сторонах основы, шкурка называется двусторонней.
5. Станки шлифовальной группы
В условиях единичного и серийного производства широко используются универсальные круглошлифовальные, плоскошлифовальные и бесцентрово-шлифовальные станки.
Круглошлифовальный станок представлен на рис. 35, а. На верхних направляющих станины 8 установлен стол 1. На верхней, поворотной, части 2 стола размещен поворотный суппорт 10 с передней 4, задней 17 бабками и коробкой скоростей 3.
а б
в г
Рис. 35. Схемы станков шлифовальной группы: а – круглошлифовальный; б – бесцентрово-шлифовальный; в – плоскошлифовальный; 1 – стол; 2 – верхняя, поворотная часть стола; 3 – коробка скоростей; 4 – передняя бабка; 5 – абразивный круг; 6 – шлифовальная бабка; 7 – задняя бабка; 8 – станина; 9 – гидроцилиндр; 10, 16 – поворотные суппорты; 11 – шток; 12, 14 – механизмы правки; 13 – ведущий круг; 15 – бабка ведущего круга; 17 – задняя бабка (колонна); 18 – стол ведущего круга; 19 – нож; 20 – магнитная плита; г – универсальный круглошлифовальный станок Paragon серии GU с ручным управлением; д – продольно-шлифовальный станок 3Б722
На задней части станины расположена шлифовальная бабка 6 с шлифовальным кругом 5. Стол станка перемещается в продольном направлении штоком 11 гидроцилиндра 9 (рис. 35). При шлифовании длинных конических поверхностей заготовка устанавливается в центрах передней и задней бабок. Верхняя часть стола поворачивается на половину угла при вершине конуса заготовки. При шлифовании коротких конусных поверхностей заготовку зажимают в патроне передней бабки, которую поворачивают на требуемый угол с помощью поворотного суппорта.
Внутришлифовальный станок имеет аналогичную компоновку, однако у него нет задней бабки, а шлифовальная бабка выполнена консольной.
Так как круги для внутришлифовальных работ имеют малый диаметр, механизм главного движения должен обеспечить высокие обороты шлифовального круга (до 10 000 об/мин). Производительность внутришлифовальных станков невысока, так как консольное расположение шлифовальной бабки и консольное закрепление шлифовального круга не обеспечивают необходимой жесткости системы СПИД, кроме того, требуется частая правка круга.
Бесцентрово-шлифовальный станок показан на рис. 35, б. На станине 8 размещена шлифовальная бабка 6 с абразивным кругом 5. На верхних направляющих станины установлен стол 1 и вертикальная колонна 17 с поворотным суппортом 16 и бабкой 15 ведущего круга 13. Каждый из кругов периодически правят с помощью механизмов для правки 12 и 14. Заготовку устанавливают на нож 19 между шлифовальным и ведущим кругами, которые выбираются таким образом, чтобы трение между заготовкой ведущим кругом было больше трения между заготовкой и шлифовальным кругом. Если необходимо продольное перемещение заготовки, ведущий круг поворачивают на угол 1–7° относительно оси заготовки. Появляется осевая составляющая силы трения, которая придает заготовке осевое движение подачи, и гладкие цилиндрические заготовки (цилиндры, кольца) можно подавать непрерывно, что резко повышает производительность обработки.
Плоскошлифовальный станок показан на рис. 35, в. На поперечных направляющих станины 8 установлена вертикальная колонна 17, по вертикальным направляющим которой перемещается шлифовальная бабка 6 с абразивным кругом 5.
Круг частично закрыт защитным кожухом. По горизонтальным направляющим станины перемещается стол 1. Продольные движения стола осуществляются штоком 11 гидроцилиндра 9. В направляющих стола могут устанавливаться заготовка, машинные тиски, синусные тиски или стол, магнитная плита (стол) 20. На магнитной плите могут размещаться заготовка, синусные тиски или стол.