Обработка заготовок на шлифовальных станках

Содержание
1. Характеристика метода шлифования.	3
2. Режим резанья. Силы резанья.	3
3. Основные схемы шлифования.	4
4. Абразивные инструменты.	4
5. Износ и правка шлифовальных кругов.	6
6. Испытания и балансировка шлифовальных кругов	6
7. Обработка заготовок на круглошлифовальных станках.	6
8. Обработка на внутришлифовальных станках.	8
9. Обработка на бесцентрово-шлифовальных станках.	9
10. Обработка на плоскошлифовальных станках.	10
11. Обработка заготовок на специализированных и заточных станках	11
12. Технологические требования к конструкциям обрабатываемых деталей	11

1. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА ШЛИФОВАНИЯ.

Шлифованием называют процесс обработки заготовок резанием с помощью абразивных кругов. Абразивные зерна рас­положены в круге беспорядочно и удерживаются связующим мате­риалом. При вращательном движении круга в зоне его контакта с заготовкой часть зерен срезает материал в виде очень большого числа тонких стружек (до 100000000 в минуту). Шлифовальные круги срезают стружки на очень больших скоростях — от 30 м/с и выше. Процесс резания каждым зерном осуществляется почти мгновенно. Обработанная поверхность представляет собой совокуп­ность микроследов абразивных зерен и имеет малую шероховатость. Часть зерен ориентирована так, что резать не может. Такие зерна производят работу трения по поверхности резания.

Абразивные зерна могут также оказывать на заготовку суще­ственное силовое воздействие. Происходит поверхностное пластиче­ское деформирование материала, искажение его кристаллической решетки. Деформирующая сила вызывает сдвиги одного слоя атомов относительно другого. Вследствие упругопластического деформиро­вания материала обработанная поверхность упрочняется. Но этот эффект оказывается менее ощутимым, чем при обработке металличе­ским инструментом.

Тепловое и силовое воздействие на обработанную поверхность приводит к структурным превращениям, изменениям физико-механи­ческих свойств поверхностных слоев обрабатываемого материала. Так, образуется дефектный поверхностный слой детали. Для умень­шения теплового воздействия процесс шлифования производят при обильной подаче смазочно-охлаждающих жидкостей.

Шлифование применяют для чистовой и отделочной обработки де­талей с высокой точностью. Для заготовок из закаленных сталей шлифование является одним из наиболее распространенных методов формообразования. С развитием малоотходной технологии доля обра­ботки металлическим инструментом будет уменьшаться, а абразив­ным — увеличиваться.

2. РЕЖИМ РЕЗАНИЯ. СИЛЫ РЕЗАНИЯ.

Для формообразования любой поверхности методом шли­фования необходимо вращательное движение круга и относительное перемещение по одной из координатных осей (рис. 1). Перемеще­ния вдоль осей могут быть заменены вращательным движением вокруг оси.

Основные элементы режима резания — скорость резания, подача и глубина резания. Для рационального ведения про­цесса шлифования необходимо выбирать их оптимальные зна­чения.

Рис. 1 Элементы резания при                    Рис. 2   Сила   резания   при  

шлифовании                                                      шлифовании

Скорость резания (м/с) равна окружной скорости точки на пери­ферии шлифовального круга:

где п_к — частота вращения круга, об/мин; D_k - наружный диа­метр шлифовального круга, мм.

Подачами являются перемещения заготовки или инструмента вдоль или вокруг координатных осей. Выражения и размерности подач определяются схемами шлифования. Глубина резания t(мм) определяется толщиной слоя материала, срезаемого за один проход.

Оптимальные режимы резания выбирают по справочным данным.

Для расчета элементов шлифовальных станков, конструирования приспособлений для работы на них и оценки точности обработки необходимо знать силы резания. Силу резания Р, возникающую при шлифовании в зоне контакта круга и заготовки, для удобства расчетов разлагают по координатным осям на три составляющие (рис. 2): тангенциальную Р_Z, радиальную Р_Yи осевую Р_X. Со­ставляющую P_Yиспользуют в расчетах точности обработки, Р_X — необходима для проектирования механизмов подач шлифовальных станков, Р_Zиспользуют для определения мощности электродвига­теля шлифовального круга.

Силы находят по справочным данным в, зависимости от конкрет­ных условий шлифования или по эмпирическим формулам. Для составляющей силы резания Р_Z(Н) используют формулы вида

Коэффициент С_Pzи показатели степени a, bи с также обусловлены условиями шлифования; V_заг= S_кр.

Радиальная составляющая силы резания

,

где k— коэффициент (k> 1).

Мощность электродвигателя, приводящего во вращение шлифо­вальный круг, кВт,

Мощность электродвигателя, приводящего во вращение заго­товку, кВт,

где η₁ и η₂ - соответственно КПД кинематических цепей передачи вращения кругу и заготовке.

3. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ШЛИФОВАНИЯ.

Формы деталей современных машин представляют собой сочетание наружных и внутренних плоских, круговых цилиндри­ческих и круговых конических поверхностей. Другие поверхности встречаются реже. В соответствии с формами деталей машин наиболее распространены схемы шлифования, приведенные на рис. 3.

Для всех технологических способов шлифовальной обработки главным движением резания V_k (м/с) является вращение круга. При плоском шлифовании возвратно-поступательное перемещение заготовки является продольной подачей S_пр (м/мин) (рис. 3, а). Для обработки поверхности на всю ширину bзаготовка или круг должны перемещаться с поперечной подачей S_п(мм/дв. ход). Это движение происходит прерывисто (периодически) при крайних поло­жениях заготовки в конце продольного хода. Периодически проис­ходит и подача S_в   на глубину резания. Это перемещение осуществляется также в крайних положениях заготовки, но в конце попе­речного хода.

При круглом шлифовании (рис. 3, б) продольная подача проис­ходит за счет возвратно-поступательного перемещения заготовки. Подача S_пр (мм/об. заг) соответствует осевому перемещению заготовки за один ее оборот. Вращение заготовки является круговой подачей S_кр (м/мин).

Подача S_п(мм/дв. ход или мм/ход) на глубину резания для при­веденной схемы обработки происходит при крайних положениях заготовки. Движения, осуществляемые при внутреннем шлифовании, показаны на рис. 3, в.

В автоматизированных шлифовальных станках цикл работы станка включает периодический

Рис. 3 Основные схемы шлифования

вывод круга из зоны шлифования, его автоматическую правку и перемещение круга к изделию на величину снятого при правке слоя абразива. Предусматривают также автоматическую установку заготовок в зажимные устройства и удаление готовых деталей.

4. АБРАЗИВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ.

Абразивные инструменты различают по геометрической форме и размерам, роду и сорту абразивного материала, зернистости или размерам абразивных зерен, связке или виду связующего ве­щества, твердости, структуре или строению круга.

Зерна абразивных инструментов представляют собой искусствен­ные или природные минералы и кристаллы. Абразивные материалы отличаются высокой твердостью, которая определяется по минерало­гической шкале. Зерна абразивов разделяют по крупности на группы и номера. Основная характеристика номера зернистости — количе­ство и крупность его основной фракции. При изготовлении инстру­мента зерна скрепляются друг с другом с помощью цементирующего вещества — связки. Наиболее широко применяют инструменты, из­готовленные на керамической, бакелитовой или вулканитовой связке.

Керамическую связку приготовляют из глины, полевого шпата, кварца и других веществ путем их тонкого измельчения и смешения в определенных пропорциях. Бакелитовая связка состоит в основном из искусственной смолы — бакелита. Вулканитовая связка пред­ставляет собой искусственный каучук, подвергнутый вулканизации для превращения его в прочный, твердый эбонит. Под твердостью абразивного инструмента понимается способность связки сопроти­вляться вырыванию абразивных зерен с рабочей поверхности инстру­мента под действием внешних сил.

Для шлифования заготовок из твердых сплавов и высокотвердых материалов успешно применяют алмазные круги. Алмазный круг состоит из корпуса и алмазоносного слоя. Корпус изготовляют из алюминия, пластмасс или стали. Толщина алмазоносного слоя у большинства кругов составляет 1,5 - 3 мм.

На шлифовальные круги наносят условные обозначения, называ­емые маркировкой. Маркировка необходима для правильного выбора инструмента при проведении конкретной работы. Условные обозначения располагают в определенной последовательности: абразивный материал и его марка, номер зернистости, степень твердости, номер структуры, вид связки.

5. ИЗНОС И ПРАВКА ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ.

В процессе шлифования режущие свойства кругов изменяются: абра­зивные зерна изнашиваются, затупляются, частично раскалываются, поры между зернами заполняются шлифовальными отходами. Возрастает сила резания. Поверх­ность круга вследствие неравномерного износа теряет свою первоначальную форму, и точность обработки снижается.

Правильному выбору связки придается весьма большое значение. Если связка слабо удерживает зерна, то они будут удаляться с круга раньше, чем затупятся: Произойдет «осыпание» круга. При чрезмерно прочном удержании зерна сильно затупляются, а на рабочей поверхности круга появляется характерный блеск. Произойдет «засаливание» круга. В том и другом случаях качество шлифуемой по­верхности снижается.

Для восстановления режущих свойств абразивные инструменты подвергают правке. Чаще всего правку производят алмазом при обильном охлаждении. Алмаз, укрепленный в специальной державке, перемещается вручную или автоматически с подачей S_пр относительно вращающегося круга. Толщина удаляемого слоя шли­фовального круга обычно не превышает 0,01 - 0,03 мм. Время непрерывной работы инструмента между двумя правками характеризует период его стойкости. В зави­симости от требований к качеству обработки и режимов резания стойкость инстру­мента ориентировочно составляет 5 - 40 мин.

6. ИСПЫТАНИЯ И БАЛАНСИРОВКА ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ.

Перед установкой на шпиндель станка круги подвергают контролю. На кругах диаметром более 150 мм должна быть обозначена максимально допусти­мая окружная скорость. Каждый круг предварительно испытывают на специальных станках при вращении со скоростью, в 1,5 раза превышающей указанную в марки­ровке.

Если в процессе шлифования по ряду причин масса круга распределена нерав­номерно относительно оси вращения, возникает вибрация частей станка, на обра­ботанной поверхности появляется характерная волнистость Шлифование на станке становится опасным, так как круг начинает работать с ударами и может разорваться.

Круги должны быть отбалансированы. Процесс балансировки предусматривает устранение неуравновешенности массы круга относительно оси шпинделя станка.

Круг вместе с закрепляющими его фланцами монтируют на балансировочной оправке и устанавливают на опорах так, чтобы он мог свободно поворачиваться относительно оси вращения. При статической неуравновешенности круг, поворачи­ваясь, устанавливается тяжелой частью вниз. В процессе балансировки неуравнове­шенность устраняется перемещением специальных грузиков, расположенных на фланцах либо в специальных устройствах.

Наилучшие результаты дает балансировка в динамическом режиме при враще­нии шпинделя станка с установленным кругом.

7. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКАХ.

Конструкции круглошлифовальных станков и их компо­новка подчиняются основным схемам шлифования. Круглошлифовальный станок состоит из следующих основных узлов (рис. 4): станины 1, стола 2, передней бабки 3 с коробкой скоростей, шлифовальной бабки 4, задней бабки 5, привода стола 6.Эти станки раз­деляют на простые, универсаль­ные и врезные. На универсальных станках каждуюиз бабок можно повернуть на определённый угол вокруг   вертикальной оси и закрепить для последующей работы. Простые станки снабжены непо­воротными бабками. Уврезных станков отсутствует продольная подачастола, а процессшлифо­вания ведется по всей длине заготовки широким абразивным кругом с поперечнойподачей.

Возвратно-поступательное перемещение стола для продольной подачи производится с помощью гидроцилиндра и поршня. Круговую подачу S_кр заготовки обеспечивает специальный электродвигатель. Шлифовальный круг
вращается с помощью клиноременной передачи. Когда круг износится и диаметр его уменьшится, используют другую пару шкивов и скорость резания увеличится.

Наибольшее распространение получили методы шлифования на центрах. Для повышения точности обработки центры устанавли­вают неподвижно. Круговая подача       Рис. 4 Круглошлифовальный станок   заготовки обеспечивается за счет поводкового устройства. Возможно консольное закрепление заготовок в кулачковых патронах.

Круглое шлифование цилиндрических поверхностей может быть выполнено по одной из четырех схем (рис. 5).

При шлифовании с продольной подачей (рис. 5, а) заготовка вращается равномерно (S_кр) и совершает возвратно-посту­пательные движения (S_пр). В конце каждого хода заготовки шлифовальный круг автоматически перемещается на S_п и при следующем ходе срезается новый слой металла определенной глубины, пока не будет достигнут необходимый размер детали.

Скорость V_к вращательного движения круга обеспечивает ско­рость резания.

Производительный способ обработки — врезное шлифо­вание (рис.5, б) применяют при обработке жестких заготовок в тех случаях, когда ширина шлифуемого участка может быть пере­крыта Рис. 5 Схемы обработки заготовок на круглошлифовальных станках                         шириной шлифовального круга. Круг перемещается с по­стоянной подачей S_п (м/об. заг) до достижения необходимого размера детали. Этот же метод используют при шлифовании фасонных по­верхностей и кольцевых канавок. Шлифовальный круг заправляют в соответствии с формой поверхности или канавки.

Глубинным шлифованием (рис. 5, в) за один проход снимают слой материала на всю необходимую глубину. На шлифо­вальном круге формируют конический участок длиной 8 - 12 мм. В ходе шлифования конический участок удаляет основную часть срезаемого слоя, а цилиндрический участок зачищает обработанную поверхность. Поперечная подача отсутствует.

Шлифование уступами (рис. 5, г) — это сочетание мето­дов, представленных на рис. 5, а, б. Процесс шлифования состоит из двух этапов. На первом этапе шлифуют врезанием с подачей S_п, передвигая периодически стол на 0,8—0,9 ширины круга (показано штриховой линией). На втором этапе делают несколько ходов с про­дольной подачей S_пр для зачистки поверхности при выключенной подаче S_п.

Во многих случаях на деталях необходимо обеспечить правильное взаимное расположение цилиндрических и плоских (торцовых) поверхностей. Для выполнения этого условия шлифовальный круг заправляют по схеме на рис. 5, д и поворачивают на определенный угол. Шлифуют коническими участками круга. Цилиндрическую поверхность шлифуют аналогично схеме на рис. 5, а, с периоди­ческой подачей S_п на глубину резания. Обработка торцовой поверх­ности детали заканчивается чаще всего с подачей вручную при плавном подводе заготовки к кругу.

Наружные конические поверхности шлифуют по двум основным схемам. При обработке заготовок на центрах (рис. 6, а) верхнюю часть стола поворачивают вместе                     Рис. 6 Схемы шлифования конических поверхностей                                         с центрами на угол α так, что положение образующей конической поверхности совпадает с напра­влением продольной подачи S_пр. Далее шлифуют по аналогии с обра­боткой цилиндрических поверхностей.

При консольном закреплении заготовок (рис. 6, б) на угол α(половина угла конуса) поворачивается передняя бабка.

8. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ВНУТРИШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКАХ.

Внутреннее шлифование применяют для получения высокой точности отверстий на заготовках, как правило, прошедших термическую обработку. Возможно шлифование сквозных, несквоз­ных (глухих), конических и фасонных отверстий. Диаметр шлифо­вального круга составляет 0,7—0,9 диаметра шлифуемого отверстия. Кругу сообщают высокую частоту вращения: она тем выше, чем меньше диаметр круга.

На рис. 7, а приведена схема шлифования с закреплением заготовки в кулачковом патроне. На внутришлифовальных станках также обрабатывают и внутренние торцовые поверхности. Внутрен­ние фасонные поверхности шлифуют специально заправленным кругом методом врезания.

Внутренние конические поверхности шлифуют с поворотом перед­ней бабки так, чтобы образующая конуса расположилась вдоль направления продольной подачи.

Заготовки больших размеров и массы шлифовать описанными выше методами нерационально. В этих случаях применяют пла­нетарное шлифование (рис. 7, б). Заготовку закрепляют на столе станка неподвижно. Шлифовальный круг вращается вокруг своей оси, а также вокруг оси отверстия (S_пл), что аналогично круго­вой подаче (положение круга, совершившего в планетарном движение пол-оборота, показано штриховой линией). Планетарным шлифова­нием можно обрабатывать внутренние фасонные и торцовые поверх ности, а также отверстия, положения которых определенным образом связаны друг с другом (например, на деталях типа кор­пусов).

Рис. 7Схемы обработки на внутришлифовальных станках

9. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА БЕСЦЕНТРОВО-ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКАХ.

Процесс шлифования на этих станках характеризуется высокой производительностью. Заготовки обрабатывают в неза­крепленном состоянии, и для них не требуется центровых отверстий.

На станине 1 бесцентрово-шлифовального станка (рис. 8) установлены два круга: шлифующий на бабке 2 и ведущий на бабке 4. Каждый из кругов подвергается периодической правке с помощью механизмов 3 и 5. Заготовка вращается на ноже 6 и одновременно контактирует с обоими кругами. Чтобы заготовка перемещалась по ножу с продольной подачей, бабку ведущего круга поворачивают на небольшой угол. Если шлифуют заготовки с уступами, то бабку ведущего круга не поворачивают, а вся она перемещается по напра­вляющим станины с подачей до определенного положения.

Заготовку 3 (рис. 9, а) устанавливают на нож 2 между двумя кругами — рабочим 1 и ведущим 4. Эти круги вращаются в одном направлении, но с разными скоростями. Трение между ведущим кругом и заготовкой больше, чем между ней и рабочим кругом. Вслед­ствие этого заготовка увлекается во вращение со скоростью, близкой к окружной скорости ведущего круга.

Перед шлифованием ведущий круг устанавливают наклонно под углом θ (1—7°) к оси вращения заготовки. Вектор скорости этого круга разлагается на составляющие и возникает Рис. 8Бесцентрово-шлифовальный станок           продольная подача S_пр. Поэтому заготовка перемещается по ножу вдоль своей оси и может быть прошлифована на всю длину. Чем больше угол θ, тем больше подача. Такие станки легко автоматизировать, установив наклонный лоток, по которому заготовки будут сползать на нож, проходить процесс шлифования и падать в тару.

Заготовки ступенчатой формы или с фасонными поверхностями шлифуют методом врезания (рис. 9, б). Перед шлифованием веду­щий круг отводят в сторону, заготовку кладут на нож и затем под­жимают ее ведущим кругом. Обрабатывают с поперечной подачей S_пдо получения необходимого размера детали. После шлифования об­работанная деталь удаляется из зоны резания выталкивателем.

Для шлифования поверхностей методом врезания абразивный инструмент заправляют в соответствии с профилем детали.

Рис. 9  Схемы обработки заготовок на бесцентрово-шлифовальных станках

10. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ПЛОСКОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКАХ.

Плоскошлифовальный станок с прямоугольным столом (рис. 10) состоит из станины 4, стола 3, стойки 2, шлифовальной бабки 1 и привода стола 5.

Движения подачи осуществляют вручную или автоматическим приводом станка. Продольное перемещение стола S_пр обеспечивается чаще всего с помощью гидравлического устройства — поршня, цилиндров и органов управления.

У другого типа станков вместо возвратно-поступательного стол совершает вращательное движение. В этом случае его выполняют круглым с вертикальной осью вращения. Компоновка такого станка предусматривает также вертикаль­ное расположение оси шлифоваль­ного круга. Плоскости обрабаты­вают   его   торцовой   поверхностью.

На практике наиболее распро­странены четыре схемы плоского шлифования (рис. 11). Шлифуют периферией и торцовой поверх­ностью круга. Заготовки 2 закре­пляют на прямоугольных или круг­лых столах 1 с помощью магнит-­ Рис. 10 Плоскошлифовальный станок ных плит, а также в зажимных приспособлениях. Возможно закре­пление одной или одновременно многих заготовок. Заготовки размещают на столах, затем включают ток и они притягиваются к магнитной плите.    

Рис. 11. Схема   обработки   заготовок   на   плоскошлифовальных   станках

Прямоугольные столы совершают возвратно-поступательные движения, обеспечивая продольную подачу. Подача на глубину резания дается в крайних положениях столов. Поперечная подача необходима в тех случаях, когда ширина круга меньше ширины заготовки (рис. 6.11, а).

Круглые столы (рис. 6.11, в) совершают вращательные движе­ния, обеспечивая круговую подачу. Остальные движения совер­шаются по аналогии с движениями при шлифовании на прямоуголь­ных столах.

Более производительно шлифование торцом круга, так как одно­временно в работе участвует большое число абразивных зерен (рис. 11, б, г). Но шлифование периферией круга с использованием прямоугольных столов позволяет выполнить большее число разно­образных видов работ. Способом шлифования периферией круга обрабатывают, например, дно паза, производят профильное шлифо­вание, предварительно заправив по соответствующей форме шлифо­вальный круг, и выполняют другие работы.

11. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ И ЗАТОЧНЫХ   СТАНКАХ

Специализированные  шлифовальныестанки   предназначеныдля   вы­полнения ограниченного числа работ.

На резьбошлифовальных станках шлифовальный круг заправ­ляют по форме одной или нескольких впадин резьбы. Заготовка, установленная в центрах резьбошлифовального станка, за один свой оборот перемещается в осевом направлении на шаг резьбы. Прошлифованная резьба получает высокую точность и малую шероховатость поверхности.

Некруговые цилиндрические поверхности (кулачки) (рис. 12) шлифуют на специализированных станках-полуавтоматах (например, в автотракторострое­нии). Такие поверхности, расположенные на валах, шлифуют по копиру так, что расстояние А между центрами вала и шлифовального круга постоянно изменяется.Обработка производитсяметодом врезания.

Профиль некоторых деталей, как, например, турбинных лопаток, оказывается весьма сложным. Их ыв Рис. 12 Схема шлифования кулачков                   шлифуют на лентошлифовальных станках инстру­ментом в виде бесконечной абразивной ленты, которая огибает сложную форму обрабатываемой поверхности. Абразивный слой наносят на бумажную или ткане­вую основу ленты.

Широко используют заточные станки для обработки разнообразного режущего инструмента. Для заточки некоторых видов инструментов применяют специализированные заточные станки. На таких станках можно, например, выпол­нятьзаточку зубьев плоских,круглых  ишлицевыхпротяжек.

12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ   ДЕТАЛЕЙ

Для шлифования ступенчатых валов (рис. 13, а) пред­усматривают центровые отверстия 1, а для шлифования пустотелых валов — установочные фаски 6. Между шейками вала и торцами из-за непрерывного осыпания зерен круга получается переходная поверхность 5. В тех случаях, когда этого нельзя допустить по условиям работы детали, предусматривают технологические ка­навки 2 для выхода шлифовального круга. Если необходимо оста­вить переходную поверхность, то указывают на чертеже детали ее максимально возможный радиус. Следует избегать конструиро­вания валов с большой разностью диаметров отдельных участков. Точно обработанные, например, цилиндрические поверхности 3 необходимо разделять введением проточек 4, поверхности которых не требуется шлифовать.

На деталях, обрабатываемых в патроне (рис. 13, б), следует предусматривать такие поверхно-    Рис.  10Рациональные формы деталей, обрабатываемых на станках шлифовальной группы

сти 7, которые обеспечивают пра­вильную установку и надежное закрепление при обработке. Наи­более надежно закрепление по поверхностям в виде круговых ци­линдров. Поверхности точно обрабатываемых отверстий также сле­дует разделять введением выточек. Предпочтительнее жесткие детали. Закрепление в патронах тонкостенных (нежестких) деталей может вызвать большие деформации и снизить точность. Шлифование отверстий малых диаметров связано с трудностями и должно назна­чатьсяв исключительных случаях.

Плоские поверхности деталей должны быть расположены пер­пендикулярно или параллельно (рис. 13, в поверхность 9) основа­нию 8, на котором закрепляют заготовку. Шлифуемые поверхности желательно располагать в одной плоскости.