Справочник технолога-машиностроителя
Глава 6. ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ

Абразивная доводка является оконча­тельным методом обработки детален, обеспе­чивающим высокое качество поверхностного слоя (параметр шероховатости поверхности до Rz = 0,050 ÷ 0,010 мкм, отклонения формы обработанных поверхностей до 0,05—0,3 мкм).

Процесс абразивной доводки является сложным процессом удаления припуска с обрабатываемой поверхности детали при ее относительном перемещении по поверхности притира в результате действия абразивных зе­рен. Этот процесс характеризуется одновре­менным протеканием механических, химиче­ских и физико-химических процессов.

Механическая доводка в 2 — 6 раз произво­дительнее ручной доводки; при этом обеспечи­вается стабильное получение эксплуата­ционных характеристик поверхностей деталей. Доводка осуществляется либо способом «сво­бодного притира», когда притир самоустана­вливается по обрабатываемым поверхностям вследствие шарнирного соединения со шпин­делем станка, либо способом «жестких осей», при котором положение осей притира и заго­товок остается неизменным в процессе довод­ки, чем и обеспечивается требуемое взаимное расположение поверхностей (рис. 295).

В зависимости от типа инструмента — при­тира различают доводку незакрепленными зернами абразива в составе абразивных паст и суспензий на притирах и доводку закре­пленными зернами абразива (шаржированны­ми притирами и абразивными кругами).

Доводку деталей абразивными пастами на притирах осуществляют при периодическом нанесении пасты на поверхность притира (пу­тем ее намазывания) либо посредством пред­варительного шаржирования притира абра­зивными зернами с помощью специальных устройств с плоскими, роликовыми кольцевы­ми правильно-шаржирующими инструмента­ми.

Доводка абразивными суспензиями на при­тирах осуществляется при непрерывной подаче суспензии в зону обработки или с периодиче­ской дозированной подачей.

Доводка с непрерывной подачей абразив­ной суспензии обеспечивает высокую произво­дительность и применяется для предваритель­ной обработки.

Доводку с периодическим нанесением пасты применяют для предварительной и окончательной обработки.

Наивысшие параметры качества поверхно­сти достигаются при тонкой доводке притира­ми, шаржированными зернами пасты.

Для повышения производительности обра­ботки при доводке деталей из закаленных ста­лей (подшипниковые кольца, ролики) приме­няют абразивные круга на керамической связ­ке на основе зеленого карбида кремния 63С. Для доводки пластин магнитов используют круги на основе электрокорунда 23А — 25А зернистостью 8 —М40, твердостью М2—СМ2.

Доводочные станки, осуществляющие обработку по способу «свободного притира» плоских, наружных цилиндрических и сфериче­ских поверхностей, делят по виду кинематиче­ской связи между звеньями исполнительного механизма на два типа: станки с жесткой ки­нематической связью и станки с фрикционной связью между звеньями исполнительного ме­ханизма станка.

Для доводки плоских и цилиндрических по­верхностей деталей применяют плоскодово­дочные станки: одно дисковые 3803—3809 с правильными кольцами, двухдисковые 3813, 3813Б, 3Б814, 3Е814, 3Е816, ЗД817 с плане­тарным и эксцентриковым исполнительным механизмом.

Для обработки тонких пластин диаметром 75 — 125 мм и толщиной 0,4—1 мм применяют доводочные станки конструкции МВТУ им. Н. Э. Баумана с эксцентриковым или с планетарно-эксцентриковым исполнительным меха­низмом.

Технологические процессы доводки деталей обычно включают несколько операций, осу­ществляемых при различных уровнях факто­ров процесса.

При проектировании процесса доводки вы­бирают метод доводки и оборудование, назна­чают режим и другие условия предварительной и окончательной доводки и рассчитывают наладку исполнительного механизма станка исходя из требований качества, производи­тельности (съем материала детали в единицу времени) и себестоимости обработки.

Выходные показатели процесса доводки определяются технологическими, кинематиче­скими, геометрическими и динамическими факторами. Каждый из этих факторов позво­ляет осуществить стабилизацию параметров качества обработки и автоматическое управле­ние процессом доводки по комплексу показа­телей.

Доводка прецизионных деталей осущест­вляется за две-пять операций (перехода) с по­следовательным снижением зернистости при­меняемого абразива в составе суспензий и паст, используемых на этапах предваритель­ной, чистовой и окончательной доводки, и уменьшением припусков на обработку (табл. 82).

Повышение качества доведенных поверхно­стей достигается посредством предваритель­ной селекции деталей: интервал рассеяния раз­меров в партии одновременно обрабаты­ваемых деталей (станко-партия) должен быть не более 1/3 припуска под доводку.

Абразивные суспензии, пасты и мелкозер­нистые круги создаются на основе микро-порошков из следующих абразивных мате­риалов:

электрокорунда белого (24А, 25А), хроми­стого (33А, 34А), титанистого (37А), моно­корунда (43А, 44А, 45А);

карбида кремния зеленого (63С, 65C, кар­бида бора (КБ) и эльбора (ЛП, ЛО) зерни­стостью М40-М1;

алмазных микропорошков ACM, ACH (из синтетических алмазов), AM и АН (из при­родных алмазов) зернистостью 60/40 — 1/0 (по ГОСТ 9206-80).

Абразивные суспензии и пасты состоят из абразива и неабразивной части (табл. 83). В абразивных суспензиях абразив по массе со­ставляет обычно не более 20—40% и находит­ся во взвешенном состоянии в керосино-масляной смеси с добавкой парафина, стеарина или олеиновой кислоты и т.д. При обработке неметаллических материалов (керамики, квар­ца, полупроводниковых материалов, сапфира и т. д.) применяют водные суспензии. Для устранения оседания абразива в суспензию до­бавляют тонкодисперсную двуокись кремния в количестве 5—10% по массе.

Алмазные пасты и суспензии применяют для доводки деталей из твердого сплава, зака­ленной стали, керамики, сапфира, ситалла, кварца, полупроводниковых материалов и т. д. Алмазные пасты изготовляют из ми­кропорошков природных (А) и синтетических (АС) алмазов, наполнителей и связующих ве­ществ. Содержание алмазов, консистенция паст и их способность к смываемости регла­ментируются стандартом СТ СЭВ 206 — 75.

Режущая способность абразивных паст и суспензий зависит от комплекса факторов процесса доводки, в частности от вида абра­зивного материала, его зернистости, зерново­го состава по содержанию фракции в микро­порошках, свойств неабразивных составляю­щих пасты и суспензии, материала детали и притира, рабочего давления и скорости от­носительного движения детали по притиру. Скорость характеризует режущую способность абразивных зерен при конкретных условиях и режимах доводки и определяет производи­тельность обработки (съем материала детали в единицу времени и суммарный съем мате­риала до полной потери режущей способности абразива).

Материал притира выбирают в зависимо­сти  от физико-механических  характеристик обрабатываемого материала, требуемых про­изводительности и параметров качества обра­ботки Для доводки деталей из труднообра­батываемых материалов применяют преиму­щественно притир из чугуна с ферритной, перлитной и перлитоферритной структурой — серого чугуна СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20, СЧ 25 с твердостью НВ 120—200. Для предваритель­ной доводки наилучшую износостойкость имеют перлитные чугуны с крупнопластин­чатым перлитом, хорошо удерживающим абразивные зерна.

Для окончательной доводки применяют более мягкие ферритные с фосфидной эвтекти­кой и перлитоферритные чугуны с мелкодис­персным и тонкопластинчатым перлитом. Из ферритных чугунов изготовляют притиры для шаржирования их мелкозернистым абразивом зернистостью М3 —Ml (в частности, для до­водки концевых мер длины).

При доводке деталей из цветных металлов и сплавов (алюминиевых, медных, магниевых), отожженных сталей рекомендуется применять притиры из оптического стекла марок МКР-1 (пирекса) или К8, а также перлитный чугун и цветные металлы (олова, свинца), которые хорошо шаржируются абразивом. Износо­стойкость притиров из оптического стекла в 1,5 раза выше износостойкости чугунных притиров; при их применении получают одно­родную матовую поверхность без царапин.

При окончательной доводке незакре­пленным абразивом наблюдается повышенное изнашивание рабочей поверхности притиров, что устраняется применением для окончатель­ной доводки притиров из цветных металлов (меди Ml твердостью НВ 70, латуни Л63 твер­достью НВ 90) и пластмасс, шаржированных абразивными и алмазными микропорошками.

К основным факторам, определяющим ка­чество, производительность и себестоимость доводки, относятся рабочее давление притира (табл. 84) и скорость относительного движе­ния детали по притиру. С целью повышения эффективности процесса доводка осущест­вляется за несколько переходов при циклическом изменении давления и скорости.

Тонкую доводку плоских поверхностей притирами, шаржированными зернами абра­зивных и алмазных паст, осуществляют при давлении 20—150 кПа, причем меньшие значе­ния соответствуют меньшем параметрам ше­роховатости поверхности и глубине поверх­ностного слоя.

Скорость относительного движения детали по притиру при предварительной доводке на­значают в пределах 50—250 м/мин, при окон­чательной — 15 — 30 м/мин, при тонкой-2-10 м/мин в зависимости от требуемой произво­дительности, параметров качества обработан­ной поверхности и физико-механических свойств абразива и неабразивных составляю­щих паст и суспензий. С увеличением давле­ния и скорости производительность обработки увеличивается до некоторого критического соотношения скорости и давления, а далее резко снижается.

Производительность доводки характери­зуется суммарным съемом металла ΣQ за определенное время и зависит от материала детали, материала притира и режущей способ­ности паст и суспензий.

При сравниваемых условиях доводки пло­ских поверхностей деталей из закаленных ста­лей и твердых сплавов на чугунных притирах режущая способность алмазных паст в 4,5—14 раз выше, чем абразивных, а алмазных суспен­зий - выше в 2,5—7,5 раз. Суммарный съем материала при использовании притиров из чугуна и стали на 10—20% меньше, чем при ис­пользовании латунных притиров вследствие более длительной работы зерен в незакрепленном состоянии и более интенсивного их дро­бления.

При доводке твердосплавных деталей на чугунных притирах предварительно шаржиро­ванными алмазными зернами паст АСМ5/3 — АСМ40/28 стойкость зерен в 15—25 раз выше, а суммарный съем материала с деталей за пе­риод стойкости зерен (Т=3÷4ч) в 6-18 раз больше, чем при работе на притирах с намаз­кой пасты. При доводке деталей из закален­ной стали, наоборот: применение алмазных паст обеспечивает более высокую производи­тельность, чем доводка предварительно шар­жированными притирами.

Сравнительные испытания работоспособ­ности зерен алмазных паст различной концен­трации (5, 10, 20 и 40%) показали, что наивыс­шая эффективность алмазных паст с учетом их расхода и режущей способности при доводке стальных и твердосплавных деталей наблю­дается при концентрации алмазных зерен 5-10%.

Прочность, стойкость, режущая способ­ность, однородность зернового состава абра­зивных микропорошков являются определяю­щими факторами, влияющими на качество доведенной поверхности детали. Доводка де­талей из закаленной стали Х12Ф1 алмазными пастами АСМ5/3 позволяет получить микро­неровности в 4—11 раз меньше (при отклоне­нии по параметру Rz не более 25—30%), чем при доводке абразивными пастами М5.

Наименьшая пластическая деформация по­верхностного слоя закаленной стали достига­лась после доводки алмазной пастой АСМ5/3.

Для увеличения производительности обра­ботки при тонкой доводке деталей необходи­мо обеспечить повышенную шаржируемость зерен в притир, т. е. работу их в закрепленном состоянии.

Время обновления пасты при тонкой до­водке деталей из труднообрабатываемых ма­териалов назначают в зависимости or зерни­стости абразива: 8 — 20 мин для алмазных паст АСМ1/0 - АСМ40/28, 2-8 мин для абра­зивных паст МЗ—М40; время повторного перешаржирования 100 — 250 мин для ал­мазных паст АСМ1/0-АСМ40/28 и 3-15 мин для абразивных паст М3 —М40 (большие зна­чения соответствуют большей зернистости пасты). При круглой доводке пасту обновляют через 1 —5 мин. Оптимальный расход пасты на 1 см2 рабочей поверхности притира 0,04-0,080 мг при плоской и 0,060-0,120 мг при круглой доводке деталей абразивными (М1-М40) или алмазными (АСМ1/0-АСМ40/28) пастами, причем большие значе­ния соответствуют большей зернистости.

Типовые схемы наладок доводочных стан­ков для плоских поверхностей представлены на рис. 296—298. Наружные цилиндрические поверхности обрабатывают в сепараторах на двухдисковых доводочных станках с сепара­торной наладкой (рис. 299).

Ручная доводка наружных цилиндрических поверхностей осуществляется разрезными ох­ватывающими притирами, закрепленными в специальных держателях-клуппах.

Оптимальными режимами доводки отвер­стий являются давление 100—300 кПа для предварительной и 20—50 кПа для оконча­тельной доводки.

Для доводки отверстий диаметром до 30 мм скорость вращения и поступательного перемещения притиров назначают соответ­ственно 25 — 50 и 6—15 м/мин для предвари­тельной доводки, 10-20 и 5-8 м/мин для окончательной доводки.

Доводку осуществляют регулируемыми (разжимными) и нерегулируемыми (нераз­жимными) цилиндрическими притирами. Регу­лируемый притир представляет собой оправку с конусностью 1:50, на которую надевается рубашка притира, имеющая продольный или спиральный паз и внутреннюю полость с той же конусностью. Наружный диаметр рубашки притира в зависимости от зернистости абра­зива выполняют на 0,05—0,020 мм меньше диаметра обрабатываемого отверстия.

Рубашки притира изготовляют из серого чугуна СЧ 10 (НВ 100-200) или из стали Ст2 или Ст3 (НВ 150-200); износостойкость стальных притиров выше, чем чугунных.

Для повышения точности формы кониче­ской поверхности в продольном сечении на ра­бочей поверхности притира выполняют две взаимно противоположные лыски; обработка осуществляется на пятишпиндельном полуав­томате ЦНИТА-8451.

Доводка конических поверхностей по спо­собу ЦНИТА (рис. 300) основана на последо­вательном чередовании объемного и линейно­го контакта поверхностей детали и притира (схемы I и II). Для доводки отверстий в корпу­сах распылителей различных типов приме­няют полуавтоматы ЦНИТА-8170 и ЦНИТА-511017, обеспечивающие отклонения от круглости и от прямолинейности образующей ци­линдрической поверхности не более 0,0005 мм и параметр шероховатости Ra ≤ 0,04 мкм. Вне­дрение полуавтоматов обеспечивает повышение точности в 1,5—2 раза, общее снижение трудо­емкости обработки в 3 - 5 раз и меньший расход инструмента (в 5—7 раз) по сравнению с руч­ной доводкой.

При доводке конуса корпуса распылителя на автомате ЦНИТА-511018 отклонение от округлости составляет 0,0008 мм, отклонение от прямолинейности образующей — 0,002 мм и отклонение угла конуса от номинального значения ±10'. Точность обработки уплотняющего конуса обеспечивается путем поддержания по­стоянного осевого давления на притир и авто­матической компенсации износа притира в результате его свободного перемещения в осевом направлении.

Для доводки конической поверхности реко­мендуются стальные притиры, снабженные тремя вставками из твердого сплава; произво­дительность обработки повышается в 2—3 раза по сравнению с доводкой притирами без твердосплавных вставок.

С целью интенсификации процесса довод­ки, повышения производительности при одно­временном повышении качества обработки и снижении себестоимости осуществляют со­вмещение предварительной (черновой) и чи­стовой доводки в одной операции без смены используемого абразива в составе суспензии или пасты.

Целенаправленно изменяя параметры про­цесса доводки, можно влиять на характер раз­рушения поверхностного слоя детали и упра­влять его глубиной. Так, циклическое измене­ние по периодическому или апериодическому закону скорости v, ускорения а относительно­го движения детали по притиру и давления р приводит к созданию в поверхностном слое обрабатываемой детали неравновесного напряженного состояния, изменению закона рас­пределения дислокаций и других дефектов по глубине поверхностного слоя.

Глубина нарушенного поверхностного слоя детали и его строение определяются значе­нием и характером изменения скорости v и дав­ления р.

При наличии ускорения а относительного движения детали по притиру глубина нару­шенного обработкой поверхностного слоя уменьшается по сравнению с глубиной, полу­чаемой при режиме доводки на постоянной скорости. Поэтому удаление основного припу­ска при предварительной доводке должно производиться с большими скоростями v, при ускорении а, с повышенным давлением р. Окончательная доводка должна осуществлять­ся пастами и суспензиями на основе мелкозер­нистых абразивных порошков при более низ­ких и плавно изменяющихся скоростях v и давлении р с целью получения малого по глубине и однородного по строению поверх­ностного слоя.

Стабилизация параметров качества дове­денной поверхности и управление точностью ее формы и размеров осуществляются созда­нием условий равномерного изнашивания поверхности притира в процессе доводки; про­граммированным перемещением детали по поверхности притира.

Сохранение формы рабочей поверхности притира достигается путем циклического из­менения кинематических факторов — величин и направлений угловых и линейных скоростей звеньев исполнительного механизма станка (способ кинематической правки притиров) или изменения геометрических параметров и соот­ношения линейных размеров звеньев исполни­тельного механизма станка (способ зональной доводки). Отклонения формы обработанной поверхности получаются минимальными в ре­зультате «приработки» обрабатываемой по­верхности детали к геометрически точной по­верхности притира.

Кинематическая правка притира в процессе доводки осуществляется путем циклического изменения по величине и направлению скоро­стей перемещения привода обрабатываемой детали, притира или одновременно детали и притира (рис. 301). При этой схеме правки на 30—80% сокращается вспомогательное вре­мя и обеспечивается отклонение от плоскост­ности и цилиндричности до 0,05—0,5 мкм.

Способ доводки деталей одновременно с кинематической правкой притиров исполь­зуется при доводке плоских поверхностей твердосплавных неперетачиваемых пластинок режущих инструментов, пластин из магнитных сплавов, колец подшипников качения при дву­сторонней доводке, корпусов гидроагрегатов, корпусов насосов при односторонней доводке, сферических поверхностей, подшипниковых опор приборов, цилиндрических поверхности плунжеров, игл распылителей и т. д. Достигае­мая точность формы обработанной поверхно­сти 0,1 — 3 мкм в зависимости от требований по техническим условиям.

При зональной доводке детали переме­щаются по отдельным зонам рабочей поверх­ности притира. На двухдисковом эксцентрико­вом станке с настраиваемым эксцентриситетом перемещение по зонам осуществляется путем изменения эксцентриситета (рис. 302). В этом случае последовательно изменяется траектория относительного движения детали по притиру (движение по окружности, по кривым эпициклоидального или гипоциклоидального вида) и ширина зоны поверхности притира, уча­ствующей в процессе доводки. Принцип зо­нальной доводки может быть применен при доводке поверхностей заданного профиля пу­тем осуществления последовательного съема материала с поверхности детали по отдельным ее зонам притиром, совершающим программированное перемещение (в том числе и циклические движения).

Циклическое изменение давления р, скоро­сти v и ускорения а относительного движения детали по притиру используется при доводке подшипников, керамических опор гироскопи­ческих приборов, кремниевых подложек и дру­гих деталей из труднообрабатываемых мате­риалов. Циклические изменения давления, скорости и ускорения при относительном движении детали по притиру позволяют по­высить производительность на стадии пред­варительной доводки и получить требуемые параметры качества поверхностен на оконча­тельной стадии доводки за одну операцию без изменения зернистости абразива.

При доводке деталей с периодическим вос­становлением режущей способности абра­зивных притиров посредством чередования подачи смазочно-охлаждающей жидкости и абразивной суспензии повышается режущая способность абразивных зерен. В момент по­дачи абразивной суспензии рабочее давление, при котором осуществляют доводку деталей и прекращают подачу смазочно-охлаждающей жидкости, снижают до 50% от номинального.

В этом случае процесс доводки происходит с очищением рабочей поверхности притира от шлама, в результате чего и восстанавливается режущая способность зерен.

Так, при доводке плоских поверхностей де­талей из закаленных сталей и твердых сплавов на алмазных плоских кругах на связке ТО2 зернистостью 63/50 достигается параметр ше­роховатости Ra = 0,2 ÷ 0,32 мкм на режимах: р = 800 ÷ 850 кПа, v = 70 ÷ 150 м/мин, с при­менением 3%-ного водного раствора кальцинированной соды. Скорость съема мате­риала с деталей из твердого сплава Т14К8 и закаленных сталей (до НRС 60—65) дости­гает 500—700 мкм/мин.

Технологические процессы обработки пре­цизионных деталей разрабатываются с учетом обеспечения конечных требований качества при соответствующих требованиях ко всем предшествующим операциям и требованиях к заготовке.

Такой подход к проектированию техноло­гического процесса возможен на основе его моделирования на ЭВМ с использованием ма­тематических моделей, описывающих связь параметров качества обработки на каждой операции с условиями ее выполнения.