5.4. Доводочные станки

Доводочные станки предназначены для окончательной обработки заготовок, удаления с их поверхности незначительных неровностей в виде гребешков, полученных на предшествующих операциях. Доводкой обеспечивается обработка поверхности с параметром шероховатости Ra < 0,32 мкм. В станках используется инструмент в виде абразивных брусков, абразивной ленты или пасты (суспензии), изготовленных из мелкозернистых абразивных материалов и связки.

Различают следующие доводочные станки: шлифовально-доводочные, хонинговальные, суперфинишные, притирочные и полировальные. Схемы обработки с указанием основных движений приведены на рис. 89.

Шлифовально-доводочные станки по компоновке и назначению узлов данные станки мало отличаются от шлифовальных станков. Различие заключается в том, что на шлифовально-доводочных станках применяются специальные мелкозернистые круги (с зернистостью 16 и менее), при этом частота вращения круга при обработке уменьшается в 4—5 раз, а заготовки — в 3 раза. Станки обеспечивают обработку с шероховатостью Ra = 0,32…0,08 мкм при повышении точности изготовления деталей.

5. Хонинговальные станки

Обработка заготовок производится мелкозернистыми абразивными брусками, закрепленными в хонинговальной головке (хоне), совершающей вращательное движение и возвратно-поступательное перемещение вдоль оси. Указанные станки применяю для обработки отверстий в гильзах, блоках цилиндров, шатунах, цилиндрах и других деталях. Процесс хонингования обеспечивает обработку деталей с параметрами шероховатости Ra = 0,32...0,04 мкм и исправляет погрешности формы (конусообразность, отклонение от овальности и пр.). Обработка заготовок происходит с подачей СОЖ (керосина, минерального масла, эмульсии). Станки изготовляются для хонингования внутренних, реже наружных поверхностей с вертикальным и горизонтальным расположением одного или нескольких шпинделей.

Одношпиндельный вертикальный хонинговальный станок, налаженный на обработку гильзы цилиндра, показан на рис.90. Станок состоит из основания 14 с колонной 11, на верху которой укреплена коробка скоростей 9 с электродвигателем 10. На направляющих колонны смонтирована подвижная каретка 7 со шпинделем 6 и закрепленной на нем хонинговальной головкой 5. На основании 14 станка расположен стол 2 с установленной в приспособлении 3 обрабатываемой заготовкой 4. Шпинделю 6 от коробки скоростей посредством приводной втулки и длинного вала со шлицами сообщается вращение, а от гидроцилиндра 8—возвратно-поступательное перемещение. Реверсирование этого перемещения осуществляется специальным механизмом 12. Управление станка производится от пульта 13. Подача СОЖ осуществляется с помощью установки 1.

В корпусе 1 (рис.91) хонинговальной головки в пазах установлены колодки 2 с закрепленными абразивными брусками 3. В центральном отверстии корпуса находятся верхний и нижний конусы 6 и 4, соединенные стержнем 5. Конус 6 неподвижно посажен на стержень, а конус 4 находится на резьбовой части стержня. Наличие на конусе 4 шпильки 10, находящейся в пазу корпуса 1, предотвращает поворот конуса 4. При вращении стержня 5 конусы сближаются и посредством планок 8 раздвигают колодки с брусками 3. При обратном вращении стержня конусы расходятся и колодки с брусками под воздействием пружин 7 сходятся к центру. Пружина 9 предназначена для устранения зазоров в системе. При работе станка вращение стержня в головке происходит автоматически за каждый двойной ход шпиндельной бабки с помощью механизма разжима брусков.

Особенности процесса хонингования

Процесс резания при хонинговании, обеспечивающий съем металла с обрабатываемой поверхности, осуществляется комплектом абразивных или алмазных брусков, закрепленных на колодках хонинговальной головки.

При хонинговании совмещается вращательное и поступательно-возвратные движения хонинговальной головки (рис.92), в пазах корпуса 1 которой установлены колодки 3. В колодках закреплены абразивные бруски 4, а сами колодки опираются на скосы клина 2. В процессе работы усилием Р клин смещается и раздвигает колодки с брусками с помощью механических, пневматических или гидравлических устройств.

При работе хонинговальной головки в зависимости от величины Р (рис.92) бруски поджимаются к обрабатываемой поверхности с определенным усилием и происходит срезание металла поверхности отверстия в виде микростружек. В зону обработки обильно подается СОЖ. Хонингование обеспечивает цилиндричность отверстия, устраняет его конусообразность, волнистость поверхности и овальность без изменения положения оси.

На рис.93 показана схема хонингования отверстия на вертикально-хонинговальном станке. Кинематика процесса обработки включает три рабочих движения: вращение хонинговальной головки, ее возвратно-поступательное движение и радиальное раздвижение брусков, являющееся радиальной подачей- врезанием. Под действием радиального усилия, создаваемого механизмом разжима брусков, режущие зерна вдавливаются в обрабатываемую поверхность на глубину, равную доли микрона. При одновременном вращении и возвратно-поступательном движении хонинговальной головки единичные зерна осуществляют процесс микрорезания, в результате которого в единицу времени происходит срезание большого числа тончайших стружек. В зону резания подается значительное количество смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), которая вымывает стружку и продукты износа с рабочей поверхности брусков и с обрабатываемой поверхности, отводит из зоны резания тепло. СОЖ образует прочную пленку на поверхности контакта брусков с деталью, что снижает трение и уменьшает вероятность схватывания связки брусков с материалом детали. При правильно подобранном составе СОЖ и ее подаче в зону резания в необходимом количестве повышается стойкость брусков, устраняется возможность образования надиров на обрабатываемой поверхности, возрастает производительность процесса хонингования.

Процесс хонингования характеризуется относительно низкими значениями скоростей и весьма малыми глубинами резания, а также небольшими величинами давлений брусков на единицу площади обрабатываемой поверхности. Благодаря этим особенностям при обработке методом хонингования достигается точность размеров обработанных отверстий в пределах 1—2-го классов, их нецилиндричность не более 3—5 мкм, шероховатость поверхности в пределах 0,63—0,04 мкм. В то же время сохраняются физико-механические свойства поверхностного слоя детали (кристаллическая структура, твердость, напряжения), отсутствует или составляет весьма незначительную величину поверхности дефектный слой (0,3—0,5 мкм). Процесс дает возможность получать желаемую геометрию и характеристики рельефа обработанной поверхности, оптимальные с точки зрения эксплуатационных требований к детали. Хонингованием можно обрабатывать детали из обычного, легированного и закаленного чугуна, углеродистых, легированных и специальных незакаленных и закаленных сталей и сплавов, бронзы и латуни, литых и деформируемых алюминиевых сплавов без покрытий и со специальными покрытиями (анодированными, хромированными), пластмасс, керамики и других металлов, сплавов и материалов. Производительность и технологические показатели при хонинговании в большой степени зависят от материала режущих зерен брусков. По этому признаку различают два основных вида хонингования: абразивное и алмазное. Хонингование абразивными брусками с зернами электрокорунда или карбида кремния применяют при обработке чугуна, сырой и закаленной стали с HRC 30—45. При более высокой твердости обрабатываемого материала эффективность абразивного хонингования существенно снижается. Отечественная абразивная промышленность создает материалы с повышенными режущими свойствами, в частности новые разновидности электрокорунда и корунда, легированные хромом, титаном, цирконием и другими присадками. Хонингование брусками из синтетических алмазов широко применяют для обработки большой номенклатуры материалов. Благодаря высокой микротвердости, хорошим режущим свойствам и высокой износостойкости алмазных зерен достигаются хорошие технологические показатели, значительная производительность и экономическая эффективность обработки. Наряду с синтетическими алмазами выпускается синтетический сверхтвердый материал — кубический нитрид бора (КНБ). Они обеспечивают высокую производительность и точность при хонинговании деталей из легированных закаленных сталей ХВГ, ШХ15 и др.

Методом хонингования обрабатывают отверстия, наружные цилиндрические и плоские поверхности, боковые поверхности зубьев зубчатых колес (зубохонингование). Наиболее широко хонингование используют для окончательной обработки отверстий, к точности размеров и формы, а также шероховатости поверхности, которых предъявляются высокие требования. По форме они могут быть различными: цилиндрические сквозные, ступенчатые и глухие, шлицевые, со шпоночными пазами и окнами, конусные и овальные.

На вертикально-хонинговальных станках кроме обычной схемы хонингования возможны и некоторые другие разновидности процесса: с наложением дополнительного осциллирующего движения (вибрационное хонингование), сухое, электрохимическое и хонингование наружных поверхностей охватывающими головками. Хонингование с осциллированием используют с целью повышения интенсивности процесса резания. Производительность металлосъема возрастает при этом на 20—40%, в процессе резания образуется более мелкая стружка, что облегчает ее удаление из зоны резания и снижает вероятность засаливания хонинговальных брусков.

Сухое абразивное хонингование (без подачи СОЖ) применяют в качестве операции окончательной обработки отверстий статоров электродвигателей после их сборки, укладки обмотки и заливки. В последнее время при чистовой обработке отверстий деталей из закаленной на высокую твердость легированной стали, других труднообрабатываемых сталей и твердых сплавов применяют электрохимическое хонингование. При этом съем металла происходит как за счет механического, так и электрохимического воздействия. К особым случаям относится также чистовая обработка на вертикально-хонинговальных станках наружных поверхностей деталей охватывающими головками. Она осуществляется при такой же кинематике процесса, как и хонингование отверстий, и может обеспечить получение тех же технологических показателей.

Технологические параметры и схемы операций хонингования

Хонингование получило широкое распространение в машиностроение при обработке гильз и блоков цилиндров двигателей, шатунов, отверстий в ступицах зубчатых колес, цилиндров гидросистем и амортизаторов, деталей топливной аппаратуры, труб больших длин и диаметров.

Недостатками процесса хонингования, ограничивающими его применение, являются невозможность воздействовать на положение оси отверстия и необходимость тщательной предшествующей обработки (обычно развертывания, тонкого растачивания или внутреннего шлифования).

Для хонингования применяют одношпиндельные и многошпиндельные станки горизонтального или вертикального исполнения.

При разработке операций хонингования следует учитывать требования к конечной точности размеров, геометрической форме и шероховатости поверхности и их исходные значения, полученные на предшествующих операциях; конструктивные особенности; "жесткость и материал детали; форму и соотношение размеров подлежащих обработке отверстий; серийность производства и выполнение требований экономичности. На основе анализа перечисленных факторов определяют технологическое назначение и число операций хонингования, общий и операционные припуски под хонингование, схему процесса, характеристику брусков, режим обработки и необходимую оснастку станка. При откладке процесса отдельные параметры корректируются. Требования к точности и качеству обработки, а также соотношение между исходными и конечными их значениями обусловливают технологическое назначение операций хонингования: предварительное (черновое), получистовое, окончательное (чистовое) и отделочное.

В зависимости от заданных точности обработки и шероховатости поверхности хонингование проводят за одну (однократное), две (предварительное и окончательное) или три (предварительное, получистовое и окончательное) операции. Отделочное хонингование применяют с целью получения поверхности, шероховатость которой не должна превышать 0,16— 0,04 мкм. Необходимая точность размера и форма обрабатываемого отверстия должны быть получены на предшествующих операциях (внутреннем шлифовании, чистовом хонинговании), поэтому отделочное хонингование проводят за одну операцию. Величину припуска на отделочное хонингование принимают с таким расчетом, чтобы съем металла происходил лишь в пределах микронеровностей предшествующей обработки.

Большое значение для правильного технологического построения операций хонингования имеет определение общего и операционных припусков. Для выбора значений общего припуска рекомендуются следующие зависимости:

при хонинговании жестких деталей Δt = (1,25 - 1,5) Δ_исх;

при хонинговании нежестких деталей Δt = (1,5 - 2) Δ_исх,

где Δt — величина общего припуска под хонингование, мм; Δ_исх — величина исходной погрешности формы отверстия, мм.

Приведенные зависимости учитывают, что при хонинговании жестких деталей (зубчатые колеса, шатуны и др.) величина устраняемой на данной операции погрешности формы составляет 60— 80% от удаляемого припуска, а при хонинговании нежестких деталей (тонкостенные гильзы двигателей, кольца и др.) – 25- 30%. В условиях крупносерийного и массового производства следует более тщательно учитывать все факторы, определяющие величину общего припуска под хонингование. Для этого необходим точностной анализ операций, предшествующих хонингованию, по данным замеров партии в количестве 100—200 обработанных деталей.

Результаты обработки отверстий на хонинговальном станке в значительной степени зависят от принятой схемы хонингования. Она определяется особенностями конструкции хонинговальной головки, зажимного приспособления, способом установки и закрепления обрабатываемой детали. При хонинговании, в отличие от других видов абразивной обработки, форма режущего инструмента совпадает с формой получаемой поверхности. Благодаря этому резание ведется большим числом микрокромок режущих зерен хонинговальных брусков и радиальные составляющих сил резания в силу равномерного расположения брусков по окружности головки в значительной степени уравновешиваются и не пере­даются несущей системе станка. Следовательно, при хонинговании возможна самоустанавливаемость режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Чтобы ее обеспечить, связь хонинговальная головка - обрабатываемая деталь должна иметь четыре степени свободы, осуществляемые путем поворота и поступательного движения относительно осей х и у (рис.94). Возможен ряд способов получения указанных степеней свободы: определенное расположение шарниров, сочетание шарнира и механизма плоскопараллельного движения, распределение вращательного и возвратно-поступательного движения между хонинговальной головкой и обрабатываемой деталью.

На практике наиболее широко применяют хонингование «плавающей» головкой при жестком закреплении обрабатываемой детали в приспособлении (рис.95, а), хонингование жестко закрепленной головкой при «плавающей» обрабатываемой детали (рис.95, б). По первой схеме обрабатывают отверстия с отношением длины к диаметру в пределах 1,5—2 (средней длины) и 5—10 и более (большой длины) в деталях типа гильз двигателей, цилиндров гидро- и пневмоприводов и других. По второй схеме обрабатывают короткие отверстия в деталях типа зубчатых колес, колец, шатунов, втулок и др. деталей с отношением длины к диаметру отверстия меньшим или равным единице. Схемы рекомендуется применять и в тех случаях, когда на операциях алмазного хонингования требуется исправить неперпендикулярность отверстия к базовой поверхности детали.

На вертикально-хонинговальных станках чаще используют схемы обработки при вращающейся головке, а на горизонтально-хонинговальных — при одновременном вращении головки и обрабатываемой детали. Более универсальными являются схемы, когда возвратно-поступательное движение осуществляется хонинговальной головкой. Однако при хонинговании коротких деталей находят применение схемы, когда возвратно-поступательное движение имеет обрабатываемая деталь.

Хонинговальные головки и зажимные приспособления

Хонинговальные головки применяют для окончательной обработки отверстий диаметром 1...1500 мм и глубиной до 25 000 мм. При этом точность обработанных отверстий достигает JT5...6, а шероховатость Ra 0,32...0,08. Такие высокие результаты объясняются тем, что в отличие от шлифования процесс хонингования характеризуется: большой площадью контакта брусков с обрабатываемой поверхностью; малой величиной давления брусков и низкой скоростью резания; значительным количеством одновременно работающих зерен; низкой температурой в зоне резания.

В зависимости от диаметра обрабатываемого отверстия хонинговальные головки применяют: малых диаметров (1...10 мм), средних диаметров (10...250 мм), больших диаметров (250... 1500 мм).

Хонинговальные головки должны обеспечивать: высокую точность размеров и формы обрабатываемого отверстия; возможность самоустанавливания головки и абразивных брусков соответственно в случае несовпадения осей обрабатываемого отверстия и шпинделя станка, а также для исправления формы обрабатываемого отверстия и компенсации неравномерного изнашивания брусков; возможность сжатия абразивных брусков после остановки хонинговальной головки.

Критерием правильного выбора характеристики хонинговальных брусков является получение устойчивых результатов по точности обработки и шероховатости поверхности в сочетании с высокой производительностью и экономичностью процесса. Для абразивных брусков определяют материал режущих зерен, тип связки, зернистость, твердость и структуру, а для алмазных — марку алмазных зерен, зернистость, концентрацию алмазов в алмазоносном слое и тип связки. Тип и размеры хонинговальных брусков принимают по соответствующим ГОСТам. Бруски из эльбора подбирают аналогично алмазным брускам.

В хонинговальных головках должен быть предусмотрен специальный механизм, позволяющий осуществлять радиальную подачу (разжим) брусков. Привод такого механизма может быть: ручной, механический или гидравлический. Гидравлический привод является наиболее эффективным, так как обеспечивает постоянное давление на бруски и большую производительность.

Разжим брусков хонинговальных головок осуществляют с помощью конусов, которые упираются в колодки с закрепленными на них абразивными брусками. В практике чаще всего встречаются головки с двумя конусами . Головки с тремя и более конусами применяются для обработки глубоких отверстий.

Конструкция хонинговальной головки с шарнирами Гука 1 и 5 показана на рис.96. У этой головки привод механизма разжима встроен в шпиндельную бабку станка и соединен со стержнем 2. Поступательное движение от привода передается толкателю 3 и через шарнирный поводок 4 на корпус хонинговальной головки 6, внутри которого перемещается разжимной конус 7. Последний передает давление на конусные планки 8 и разжимает колодки 9 с брусками. При снятии рабочего давления пружина приподнимает толкатель 3, и колодки с брусками сжимаются под действием кольцевых пружин 10.

Крепление абразивных брусков к колодкам осуществляют механическим способом, приклеиванием или припаиванием. В последнее время абразивные бруски применяются сравнительно редко ввиду их относительно низкой стойкости. Чаще всего применяют алмазные и эльборовые бруски. Так, например, при обработке заготовок из серого чугуна и термообработанной стали рекомендуются бруски из синтетических алмазов АС4, АС6 и из эльбора ЛО, ЛП.

Станки для хонингования отверстий оснащают головкой, патроном, зажимным приспособлением и в ряде случаев устройством активного контроля. В крупносерийном и массовом производстве применяют также перекатные и автоматические поворотные столы, автоматические загрузочные устройства, которые дают возможность встраивать хонинговальные станки в автоматические линии.

Комплект хонинговальных брусков крепят на колодках, имеющих возможность радиального перемещения в пазах корпуса головки. Это перемещение осуществляется с помощью механизма разжима и используется для подвода брусков к обрабатываемой поверхности, рабочей подачи врезания и отвода брусков по окончании обработки.

Хонинговальная головка для обработки отверстий диаметром 7…10 мм (рис.97) является двубрусковой: брусок 7 закреплен постоянно в корпусе 1, а второй 4 сточен на клин. Гайками 6 через втулку 5 брусок устанавливают на диаметр. Поджим бруска к обрабатываемой поверхности при хонинговании осуществляется толкателем 3 под воздействием пружины 2.

Хонинговальная головка для обработки отверстий диаметром 10…30 мм (рис.98) алмазными брусками является трехбрусковой. Два бруска 7 и 8 неподвижно вклеены в пазы корпуса 2, а третий бруском 6 закреплен на колодке 5. Настройка головки на размер и поджим брусков выполняется винтом 1 через плунжер 3.

Двухъярусные головки, используют для совмещенного в одной позиции предварительного и окончательного хонингования отверстия, обработки двух соосных или с параллельными осями отверстий разного диаметра с одной установки. С применением таких головок экономится время, которое потребовалось бы на переустановку обрабатываемой детали и хонинговальной головки, и, следовательно, повышается производительность обработки. На рис.99 показана жесткая двухъярусная головка для предварительного и окончательного хонингования отверстий.

Особый случай представляет обработка малых точных отверстий в деталях типа втулок плунжерных пар, гидропневмосистем и др. На многих заводах для достижения заданной точности размеров, формы и шероховатости поверхности вводят операции ручной притирки с применением комплекта чугунных притиров. Поэтому замена ручной притирки хонингованием при обработке таких отверстий экономически выгодна. Проектирование головок для хонингования малых отверстий связано с рядом трудностей. Одна из них обусловлена тем, что система гидравлического разжима брусков большинства отечественных хонинговальных станков не позволяет получать малые величины осевых усилий на конусе разжима.

В Уфимском авиационном институте разработана оригинальная конструкция жесткой хонинговальной головки для обработки отверстий диаметром 10— 20 мм, предназначенная для использования в условиях мелкосерийного производства (рис. 100) и обеспечивающая преобразование усилия на штоке гидроцилиндра разжима в малое усилие на конусе разжима. Последний для повышения жесткости в радиальном направлении и получения малых радиальных перемещений брусков, необходимых для размерной настройки головки, имеет конусность 1 : 20.

Осевая сила на конусе разжима брусков создается пружиной 4, расположенной в гильзе 3. Перемещение гильзы в осевом направлении осуществляется гидроцилиндром системы разжима станка через винт 1. При этом перемещается и конус разжима 9 до момента касания брусков с поверхностью обработки. Рабочее радиальное давление брусков создается за счет сжатия пружины 4. Предварительное сжатие пружины осуществляется винтом 2, а дополнительное регулируется резьбовой втулкой 6, которая в конце хода упирается в торец втулки 7. Хонингование практически идет при постоянном давлении на брусках, так как величина снимаемого припуска, а значит, и расслабление пружины 4 незначительны. По мере износа брусков для сохранения давления их на обрабатываемую поверхность втулку 7 передвигают с помощью гайки 8. При этом переставляются в новое положение относительно корпуса 5 все элементы патрона. Съем припуска продолжается до момента упора конуса разжима в торец винта 11, после чего давление на брусках снижается и начинается выхаживание. С помощью упорного винта 11 предварительно настраивают головку на размер с точностью 0,002 мм и периодически поднастраивают для компенсации износа брусков.

Рассмотренные выше хонинговальные головки предназначены для обработки сквозных гладких отверстий. При обработке глухих и прерывистых отверстий требуются специальные конструкции хонинговальных головок.

Конструкцию хонинговальной головки разрабатывают с учетом принятой схемы обработки, размеров и формы обрабатываемого отверстия (рис.101) (сквозное, глухое, шлицевое, с пазами и окнами и др.) и заданной точности обработки. В процессе проектирования выбирают тип головки, число и размеры хонинговальных брусков, тип и конструкцию шарниров (для шарнирных головок), длину стержня, конструкцию механизма разжима, форму и размеры колодок брусков и конусных планок.

При хонинговании многоярусных отверстий в деталях типа блоков цилиндров, корпусов золотников целесообразно применять шарнирные головки (рис.101, б).