Способы шлифования

Способы шлифования можно классифи­цировать следующим образом (рис. 19.3): плоское шлифование ме­тод получения плоских поверхностей; круглое шлифование  метод получения круговых цилиндрических поверхностей; шлифование винтовых поверхностей  метод получения винтовых поверхностей, например, шлифование резьбы; шлифование зубчатых колес  метод получения начальных поверхностей на зубчатых колесах; профильное шлифование  метод получения любых поверхностей, форма которых определяется профилем инструмента; копировальное шлифование  метод получения любых фасонных поверхностей путем управления движением подачи; шлифование вручную  метод, при котором движением подачи можно управлять вручную.

По расположению рабочей поверхности шлифовального круга различают периферийное и торцовое шлифование, по виду движения подачи  продольное и врезное шлифование.

Дальнейшее деление отдельных способов шлифования можно произвести по виду установки заготовки (например, в центрах, в патроне, бесцентровое шлифование) и по виду инструмента (на­пример, шлифование цельным и сегментными кругами, абразивом на подложке, ленточное шлифование).

Н а рис. 19.4 показаны наиболее известные способы плоского шлифования. На круглом столе шлифуют, как правило, сегментными шлифовальными кругами. При торцовом шлифовании поверхностей на практике различают маятниковое и глубинное (всей шириной круга), в глубинном шлифовании различают, в свою очередь, попут­ное и встречное шлифование. При маятниковом шлифовании рабо­тают с небольшой рабочей подачей и высокой скоростью подачи детали (с образованием короткой толстой стружки), тогда как получившее в последнее время большое распространение глубинное шлифование характеризуется большой рабочей подачей и небольшой скоростью подачи детали, а также длинной тонкой стружкой.

Рис. 19.3. Классификация способов шлифования

Рис. 19.4. Способы торцового плоского шлифования:

а  периферийное продольное, б  периферийное на круглом столе; в  торцовое продольное; г  торцовое на круглом столе

Рис. 19.5. Способы круглого шлифования:

а, б, г, д, ж, и  наружное; в, е, з, к  внутреннее; ае  с закреплением детали; жк  бесцентровое; ав  продольное; ге, и, к  врезное (поперечное); ж, з  напроход,

а  способ “Нортона”, б  способ “Ландис”, г  прямой; д  под углом

1  деталь, 2  ведущий круг, 3  опорный нож, 4  шлифующий круг, 5 и 6  свободный и приводной ведущие круги.

Если при маятниковом шлифовании велик износ круга, то при глубинном шлифовании возникают проблемы интенсивного нагрева поверхноcтногo слоя детали.

На рис. 19.5. показаны наиболее известные способы круглого шлифования. При способе «Нортон» деталь движется относительно шлифовального круга, когда шлифовальная бабка неподвижна; этот способ находит применение преимущественно при шлифовании коротких деталей или деталей средней длины. Очень длинные детали обрабатывают по способу «Ландис», когда шлифовальная бабка с шлифовальным кругом движутся относительно неподвижной детали.

Наиболее важными способами шлифования резьбы (шлифования винтовых поверхностей) являются продольное шлифование с одно­профильным абразивным кругом, продольное и врезное шлифование многониточным кругом.

При шлифовании зубчатых колес различают метод прерывистого деления и метод обката.

Механика процесса шлифования

После выбора шлифовального круга и при заданных характери­стиках станка, материала и СОЖ на результат обработки можно повлиять лишь варьированием рабочих параметров, устанавлива­емых на станке. Целевые меры такого рода предполагают знание кинематических и механических процессов в зоне контакта между деталью и шлифовальным кругом, а также их воздействием на ре­зультат шлифования.

Исходным моментом является знание объемного распределения режущих кромок шлифовального круга в плоскости резания. Для вращающегося со скоростью 30 м/с шлифовального круга для при­нятых в расчете его характеристик при большом расстоянии между зернами и крупной зернистости 36 тыс. режущих кромок в 1 с до­стигают поверхности детали по всей ширине шлифования, а при наименьшем расстоянии между зернами и небольшой зернистости  3,27 млн. режущих кромок в 1 с.

Если бы вершины этих режущих кромок лежали в одной пло­скости, то независимо от скоростей резания и подачи и поперечной подачи они должны были бы по аналогии с режущими лезвиями фрезы вступить в контакт с деталью. Но так как вылет режущих кромок в зависимости от размера зерна и условий правки может варьироваться до 50 мкм, часть низко расположенных кромок будет перекрываться более высокими и они в контакт не вступят. С увеличением окружной скорости круга v_к, уменьшением скорости детали (скорости подачи детали) v_д, уменьшением величины попереч­ной подачи а и увеличением диаметра шлифовального круга увели­чивается коэффициент перекрытия и соответственно по экспонен­циальному закону уменьшается число режущих кромок, вступающих в контакт на единицу поверхности круга.

В качестве дополнительного условия необходимы также знания о механизме съема материала, потому что наряду с геометрическими и кинематическими закономерностями этот фактор также является решающим в образовании и распределении составляющих силы резания, износа, температуры и качества поверхности. На пластичных материалах со средними значениями относительного удлинения и предела прочности при растяжении и небольшими значениями теплопроводности и теплоемкости, например на неле­гированных сталях со средним содержанием углерода, получают сливную стружку, несмотря на небольшую толщину среза (менее 5 мкм), геометрически неопределенное и нерегулярное расположение режущих кромок и резко отрицательный передний угол. Стружка образуется непрерывно, она не прилипает к поверхности инстру­мента. Материалы с такой обрабатываемостью резанием обнаружи­вают при росте окружной скорости круга заметное уменьшение силы резания и всего лишь незначительный рост тепловой нагрузки в поверхностном слое детали.

С увеличением величины относительного удлинения материала и со снижением предела прочности при растяжении (например, малоуглеродистая нелегированная сталь) и при повышенной тепло­проводности и теплоемкости (например, медь, алюминий) показатели обрабатываемости постоянно ухудшаются. Нарушается процесс стружкообразования и схода стружки, которая не сходит, а впрессо­вывается в свободные зоны поверхности круга; стружка плохо отделяется от зерен, она часто забивает зону резания. В таких слу­чаях говорят о засаливании шлифовального круга. Этот процесс ведет к значительному увеличению нагрузки на кpyг, что резко снижает его режущую способность, так как нарушаются кинематические и механические предпосылки стружкообразования выбранной для данного материала поверхности круга. Выход  в выборе пористого, крупнозернистого, не очень твердого круга и в увеличении давления подачи СОЖ.

В противоположность только что описанным материалам плохую обрабатываемость обнаруживают материалы с твердыми карбидными включениями, например быстрорежущие стали, что объясняется повышенным износом из-за этих включений, твердость которых сравнима с твердостью обычных абразивов.

То же касается и обработки шлифованием твердых сплавов, хрупких и твердых неметаллов, таких, как минералы, керамика, стекло.

Увеличение коэффициента абразивной способности в подобных случаях достигается только применением более твердого абразива. Поэтому шлифование твердых сплавов, керамики, минералов и стекла  бесспорная область использования природных и синтети­ческих алмазов. При этом материал снимается не в форме стружки, а внедряющееся алмазное зерно разрывает попадающееся на пути твердое включение на мелкие частички, причем ширина получа­ющейся канавки может быть больше ширины алмазного зерна. Эти частички сами обладают сильным абразивным эффектом, воздейству­ющим на связку круга и вызывающим так называемый износ связки алмазного инструмента. Тем не менее удаление раздробленных частиц из зоны контакта не вызывает затруднений.

Важным критерием при шлифовании хрупких материалов яв­ляется наличие заметно более низких температур по сравнению с температурами при шлифовании пластичных материалов. Основная причина этого в том, что алмазный шлифовальный инструмент не пригоден для обработки сталей, так как в этом случае в зоне стружко­образования и на поверхностях контакта возникает температура выше 1000°С, что ведет к повышенному износу алмаза.

В качестве последней группы обрабатываемых материалов сле­дует рассмотреть материалы с небольшим относительным удлине­нием, низким пределом прочности при растяжении и дающим корот­кую стружку, к которым относятся, например, серый и отбеленный чугуны, латунь и бронза. Стружкоотделение происходит в форме пластинок, и стружка удаляется легко из зоны контакта. В качестве абразива используют карбид кремния и электрокорунд. Характер­ным для этих материалов (как и при обработке хрупких и твердых материалов) является то, что при росте окружной скорости круга усилие резания снижается незначительно, а тепловая нагрузка на поверхности инструмента сильно возрастает.

Определение параметров шлифования

Основными выходными параметрами процесса шлифования являются: составляющие силы резания, износ инструмента, ка­чество обработанной поверхности, тепловое воздействие на поверх­ностный слой детали, динамическое поведение системы СПИД (шли­фовальный станок  инструмент деталь) и стоимость шлифования, отнесенная к снимаемому объему материала.

Условием для этого является знание физико-механической зависи­мости между характеристиками процесса, включая его кинематику, с одной стороны, и рабочими параметрами, с другой. Сначала укажем наиболее важные кинематические характеристики:

число вступающих в контакт режущих кромок на единице по­верхности круга

(19.6)

максимальное поперечное сечение среза

(19.7)

общее число вступающих в данный момент в контакт режущих кромок на единице поверхности круга

(19.8)

геометрическая длина контакта шлифовального круга с деталью

(19.9)

где d_se = d_кd_д/(d_к ± d_д)  эквивалентный диаметр круга («плюс» наружное и «минус» внутреннее круглое шлифование); ,   показатели степени, выведенные из распределения режущих кромок (0 < ,  < 1); С₁  плотность зерен, мм^-3; A_N  постоян­ная пропорциональности, обусловленная геометрией режущей кромки и общей постоянной. С помощью этих основных кинемати­ческих функций можно описать в зависимости от рабочих параметров важнейшие характеристики процесса, такие, как составляющие силы резания, радиальный износ круга, шероховатость поверхности и стоимость обработки.

Составляющие силы резания

Сила резания, возникающая при шлифовании, находится в пря­мой связи с преобразуемой в процессе энергией и является, в зависимости от управляющих воздействий, важным индикатором характера процесса с точки зрения шлифуемости материала и реали­зуемого качества обрабатываемой поверхности (шероховатость и тепло­вое воздействие). Действующая на 1 мм ширины круга нормальная составляющая силы резания определяется из суммы всех действу­ющих в данный момент в контактной зоне отдельных нормальных сил, которые, в свою очередь, пропорциональны соответствующим сечениям среза.

(19.10)

В коэффициенте пропорциональности К уравнения учтены значение удельной нормальной составляющей, завися­щей от материала и СОЖ, а также влияние плотности режущих кромок и усредненной их формы.

Если для плоского шлифования врезанием при dse = dк из урав­нения (19.10) получим функцию нормальной составляющей

(19.11)

Температура резания

Шлифовальный круг, находящийся в рабочем контактe с де­талью, преобразует энергию резания в теплоту. Можно представить шлифовальный круг в виде подвижного источника теплоты, с кото­рого постоянно на деталь направлен тепловой поток таким образом, что на единицу поверхности воздействует количество теплоты Q' Такой движущийся источник теплоты создает движущееся вместе с источником температурное поле, показанное на рис. 19.6.

Рис. 19.6. Термоэлектрически измеренные изотермы в краевой зоне детали при плоском врез­ном шлифовании: а  схема процесса шлифования с нанесёнными изотермами в направлении врезания и подачи; б  шлиф врезания

1 шлифовальный круг, 2  деталь

Если принять, что из выделяемой в еди­ницу времени тепловой энергии на деталь переходит постоянная доля р, а остаток отводится через стружку и шлифовальный круг, то получим уравнение для коли­чества теплоты, передаваемого на единицу поверхности детали.

(19.12)

При удвоении скорости резания с 30 до 60 м/с наблюдается рост измеренных максимальных температур. Примечательно, что группа засаливающихся, вязких, а также образующих короткую стружку хрупких материалов, обрабатываемых как с маслом, так и с эмуль­сией, обнаруживает средний рост температур на 80 %. Группа пластичных материалов с длинной стружкой, напротив, не обнаруживает роста температуры поверхности при увеличении скорости резания v_к.

По уравнению (19.12) можно оценить влияние скорости детали v_д,. Чем больше повышающее температуру влияние окружной скорости круга, тем больше снижающее температуру влияние повышенной скорости детали.

Изнашивание шлифовальных кругов и влияние СОЖ

Изнашивание шлифовальных кругов определяется поведением абразивных зерен и их связки под воздействием сил и температуры, возникающих в процессе резания. При этом могут проявиться четыре вида изнашивания, а именно: образование поверхностей изна­шивания из-за пластического течения режущей кромки зерна (рис. 19.7 а), дробление групп кристаллов зерен (б), частичное (в) и полное (г) выкрашивание зерен.

Если пластическое течение режущей кромки зерна объясняется преимущественно воздействием высокой температуры в зоне кон­такта, то три другие вида изнашивания обусловлены механической нагрузкой на абразивное зерно. Полное выкрашивание зерен может наступить и при термических перегрузках режущей поверхности, когда связка размягчается или разрушается. Если при определенных условиях обработки возникает большой износ шлифовального круга, то круг приходится часто править. Следовательно, изнашивание шлифовального круга оказывает влияние как на точность, так и на стоимость изготовления.

Процесс трения, воздействующий на отдельное зерно во время контакта, характеризуется высокими переменными значениями да­вления и температуры, что приводит к двум различным процессам изнашивания, так называемому пластическому течению и образова­нию микротрещин. Оба вида изнашивания протекают одновременно и зависят в равной мере от воздействующих на отдельное зерно четырех параметров: давления, скорости трения, времени и длины контакта.

Рис. 19.7. Виды изнашивания шлифовального круга

Общее уравнение для износа шлифовального круга можно интерпретировать как экспоненциальную функцию шлифования:

(19.13)

Здесь V представляет собой снятый объем материала на единицу ширины круга. Показатели степени учитывают различную значи­мость приведенных выше параметров (т  давление в контакте, i  скорость трения, в  время контакта, h  число контактов за определенный промежуток).

Износ по кромкам при шлифовании увеличивается примерно пропорционально увеличе­нию скорости детали v_д, и подачи, причем влияние последней не­сколько больше. Увеличение скорости круга v_к напротив, сильно уменьшает износ. Влияние снятого объема материа­ла V' прямо пропорционально износу.

Важнейшим средством уменьшения теплового воздействия при шлифовании является, наряду с повышением скорости детали, выбор подходящей смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Она должна иметь высокие значения теплопроводности, удельной теплоемкости и теплоты парообразования, а также хорошую смачиваемость и смазывающую способность. Если обработка ведется с большой объем­ной производительностью резания, то следует выбирать СОЖ, уменьшающую долю теплоты, возникающей при трении. Хотя вод­ные эмульсии имеют значительно большую теплопроводность и удельную теплоемкость, их смазывающая способность невелика по сравнению со смазывающей способностью масел. При высокоскоро­стном и профильном шлифовании применяют прежде всего чистые масла. Большая способность к смачиванию и смазыванию масел ведет к уменьшению доли теплоты трения и поэтому к более низким температурам. Составляющие силы резания и шероховатость поверхности при этом ниже, чем при применении эмульсий. Дости­жимая предельная производительность резания, при которой раз­рушаются режущие кромки, для шлифовальных масел значительно больше, чем для эмульсий. Другой проблемой является подвод СОЖ в зону резания, так как вокруг шлифовального круга обра­зуется воздушная прослойка, которая с увеличением скорости круга становится мощнее. Поэтому при работе с повышенными окружными скоростями шлифовального круга применяют отклоняющие воздух щитки и высокие давления (13 мПа). Однако этим не гарантируется очистка шлифовального круга от прилипших частиц материала. Такая очистка производится расположенными вокруг шлифовального круга соплами высокого давления, причем шеро­ховатость поверхности уменьшается с увеличением количества сопл высокого давления.

Шероховатость поверхности

Режущую поверхность шлифовального круга можно представить как некоторое число небольших резцов в виде зерен, распределенных на поверхности круга, острые кромки которых лежат на очень не­большой глубине по периферии круга (до 50 мкм) в зависимости от размера зерна и способа правки. Благодаря этому поверхность круга имеет определенную микронеровность, которую можно опре­делить в форме сечения для выявления профиля вертикально к на­правлению вектора скорости круга, так называемого профиля режу­щей части.

При движении такого вращающегося инструмента относительно детали на ее поверхности образуются микронеровности, которые можно рассматривать как кинематическое отображение микронеровностей рабочей поверхности круга.

Процесс отображения можно толковать таким образом: с ростом отношения скоростей все больше профилей режущей части шлифовального круга отображаются на каждом участке поверхности детали, тaк что с большим отношением скоростей q шероховатость поверхности должна уменьшаться.

До сих пор не удалось описать функционально зависимости, суще­ствующие между параметрами шли­фования и шероховатостью поверх­ности детали, не удалось учесть дополнительного влияния так назы­ваемой кинематической шерохова­тости, возникающей вследствие разновысотности траекторий следую­щих друг за другом резцов и также зависящей от отношения скоростей q, эквивалентного диаметра круга d_se и распределения резцов.

Рис. 19.8. Шероховатость поверхно­сти детали в зависимости от отноше­ния

скоростей q

Крепление кругов

При закреплении абразивного инcтрумента по соображениям техники безопасности следует соблюдать все предписания, касающиеся пpeдoтвра­щения несчастного случая. Прежде чем установить шлифовальный круг, пола­гается провести пробу на звучность, проверить легкость насаживания на крепежное приспособление, наличие крепежных фланцев с диаметром, рав­ным одной трети диаметра круга, и перекрытием, равным одной шестой вы­соты круга (рис 19.9) наличие элас­тичных прокладок (например, из мяг­кого картона), а также провести пятиминутную прогонку на станке на полном рабочем числе оборотов. На рис. 19.9 показано крепление шлифо­вального круга.

Рис. 19.9. Крепление шлифовального круга с помощью противовесов

1  противовесы; b и c  ширина и высота шлифовального круга; d  внутренний диаметр фланца; е  перекрытие (> с/6); f  внешний диаметр фланца; g  внешний диаметр шлифовального круга.

Окружная скорость разрушения, как правило, возрастает с умень­шением зернистости и увеличением твердости шлифовального круга. Самую большую нагрузку на шлифовальный круг создают цен­тробежные силы, так как они возрастают пропорционально квадрату окружной скорости.

На рис. 19.10, б показан шлифовальный круг равной прочности, на котором в любом месте возникают такие же касательные напря­жения, что и на внешнем краю. Так как эти напряжения значи­тельно ниже, чем на краю отверстия круга при равной его толщине, то этот круг достигает соответственно большей скорости разрушения.

При конической форме (рис. 19.10, в) велика вероятность того, что при разрушении круга осколки будут удержаны зажимными флан­цами.

Рис. 19.10. Шлифовальные круги для высоко­скоростного шлифования: а  армированный стекловолокном; б  круг равной прочности; в  коническая форма; г  края отверстия повышенной прочности

Рис. 19.11. Сегментный шлифоваль­ный круг (по М. К. Шоу): 1  зона крепления (удерживающая сила); 2  центробежная сила; 3  винтовое крепление

Балансировка

Абразивные круги неоднородны; неравномерное распределение составных частей (зерен абразива, связки и пор) при изготовлении вызывает дисбаланс. Допустимый дисбаланс при поставке шлифо­вальных кругов не должен превышать 24 % массы круга. Этот дисбаланс должен быть устранен путем балансировки абразивного круга в сборе с крепежными элементами.

Для узких шлифовальных кругов вполне достаточно баланси­ровки в одной плоскости  статическая балансировка. При враще­нии статически отбалансированных тел вращения тем не менее возни­кают колебания из-за переменных моментов, которые можно исклю­чить лишь динамической балансировкой в двух плоскостях. По этой причине очень широкие шлифовальные круги, например предназначен­ные для бесцентрового шлифования, лучше всего подвергать динами­ческой балансировке на балансировочной машине. Перед баланси­ровкой шлифовальный круг правят на шлифовальном станке во из­бежание появления новых центров тяжести. Кроме того, следует учесть, что состояние баланса во время эксплуатации меняется вследствие изнашивания круга и правки, так что иногда следует проводить повторную балансировку.

Рис. 19.12. Статическая балансировка при рабочей частоте вращения на шлифовальном станке

1  шкала, 2  постоянный индикатор, 3  стробоскоп, 4  приёмник колебаний, 5  фильтр, 6  измерительный инструмент, 7  датчик импульсов.

При статической ба­лансировке вне станка шлифовальный круг во фланце выравнивается путем перемещения противовесов на фланце (см. рис. 19.9). Требуется таким образом улучшить распределение масс вращающегося тела, чтобы главная ось инерции совпала с осью вращения. Статическая балансировка при рабочей частоте вращения на шли­фовальном станке с помощью стробоскопа показана на рис. 19.12. Учитывается весь дисбаланс, вызываемый в режиме работы шлифовальным шпинделем, фланцем и шлифовальным кругом. Коле­бания дисбаланса преобразуются чувствительным элементом в элек­трические колебания, из которых фильтр пропускает только колеба­ния с частотой вращения шлифовального круга. На измерительном инструменте считывается величина момента дисбаланса. Одновре­менно синусоидальное напряжение, созданное дисбалансом, через импульсный датчик преобразуется в отдельные импульсы, причем каждый импульс возбуждает лампу-вспышку. Так как лампа вспы­хивает кратковременно лишь одни раз за оборот круга, то круг при таком освещении представляется неподвижным. Фиксирован­ный указатель отмечает те места круга, где должна быть размещена дополнительная масса. В методе трех шари­ков, рекомендованном фирмой «Цинциннати Милакрон» (метод автоба­лансировки), при большой частоте вращения шлифовального шпин­деля три бегущих в кольце шарика самостоятельно распределяются так, что полностью снимают имеющийся дисбаланс шлифовального круга. Преимущество метода в очень быстрой балансировке, недоста­ток  неполное устранение остаточного дисбаланса.

Правка

Абразивные круги должны точно вращаться и иметь подготовленную к врезанию поверхность шлифования. Поэтому шлифоваль­ные станки оснащают устройствами правки, с помощью которых осуществляется правка изношенного шли­фовального круга. В качестве инструмента для правки используют алмазное зерно, многоалмазные головки, алмазные бруски, стальные и алмазные профилирующие ро­лики. Устройство для правки должно вести алмаз без колебаний, установочный угол к вращающейся рабочей поверхности круга должен составлять примерно 10°. В процессе правки на алмазе одна поверх­ность сошлифовывается под этим углом, поэтому державку с алмазом периодически поворачивают вокруг продольной оси, чтобы алмаз врезался острой кромкой. Подача па правку не должна превышать 0,020,03 мм. Для правки черновых и сегментных кругов, уста­новленных на плоскошлифовальных станках, применяют устройства для правки без алмазов, а с дисками из стали, твердого сплава или керамики.

Защитные устройства при шлифовании

Требования, предъявляемые к защитным устройствам на шли­фовальных станках, учитывают тип станка, а также тип и размеры круга и его окружную скорость. Круги всех шлифовальных станков, за исключением ручных шлифовальных машин, должны быть осна­щены регулируемыми защитными кожухами из вязкого материала, чтобы при разрушении круга его осколки надежно задерживались.

Рис. 19.13. Защитный кожух для шли­фовального круга

а  толщина стенки периферийной защит­ной части, b  толщина стенки боковой части, с  расстояние до упора,   угол раскрытия

Защитные кожухи должны оставлять открытой только необходи­мую для работы часть круга.

Для плоскошлифовальных станков с магнитными зажимными плитами, кроме того, предписываются меры, предотвращающие вы­брос детали, например размещением ловушек из листового материала. Электромагнитные зажимные устройства должны включаться так, чтобы механическая подача на шлифование включалась только при включенном магнитном поле.

На станках для круглого шлифования круг во время закрепле­ния и снятия заготовки и в про­цессе ее измерения во избежание касания его руками должен быть надежно закрыт откидным или поворотным кожухом.

Во время шлифования без СОЖ, чтобы не повредить глаза отлетающими искрами следует одевать защитные очки.