книги из ГПНТБ / Мазальский, В. Н. Суперфинишные станки

В. Н. М азальский

Суперфинишные

СТАНКИ

КОНТРОЛЬНЫЙ

ЭКЗЕМПЛЯР

ЛЕНИНГРАД

„МАШИНОСТРОЕНИЕ ‘ ‘

Ленинградское отделение

1974

М12

УДК 621.923.5.06

М а з а л ь с к и іі В. Н. Суперфинишные станки. Л., «Машино­ строение» (Ленингр. отд-ние), 1974, 160 с.

В книге приведена классификация современного суперфннншIIor.о оборудования. Рассмотрены конструкция и кинематика базо­ вых моделей суперфипншмых станков для обработки в центрах, бесцентровых суперфинишных станков, станков для обработки шеек коленчатых валов, торцовых поверхностен и желобов подшипников. Изложены сведения о кинематике процесса суперфиниширования, ее влияние на производительность и качество обрабатываемой по­ верхности. Указаны новые направления в области суперфиниширо­

вания.

Приведены рекомендации по выбору абразивного инструмента и режимов резания, а также конкретные примеры из практики су­ перфиниширования.

Книга предназначена для инженерно-технических работников машиностроительной промышленности.

Табл. 25. Ил. 64. Список лит. 38 назв.

Р е ц е н з е н т инж. Г. С. Шалаев

© Издательство «Машиностроение», 1974 г.

Предисловие

Одной из важнейших проблем современного машиностроения является увеличение долговечности и надежности работы машин и механизмов. Это предъявляет повышенные требования к эксплуа­ тационным свойствам деталей, к выбору методов окончательной их обработки.

Существует большое количество методов чистовой обработки рабочих поверхностей деталей, однако не все они обеспечивают высокую работоспособность поверхности детали. Такие процессы, как тонкое шлифование, алмазное доводочное шлифование, обка­ тывание поверхностей роликом, шариком, алмазное выглажи­ вание, полирование обеспечивают высокий класс чистоты поверх­ ности. Однако большинство из них оказывается малоэффектив­ ными в том случае, когда требуется исправление геометрической формы и увеличение опорной поверхности сопряженных деталей.

Наиболее целесообразным методом окончательной обработки, эффективно увеличивающим несущую поверхность и исправляю­

суперфинишировании, кроме того, повышается точность размера, увеличиваются остаточные сжимающие напряжения, повышая контактную прочность деталей, повышается класс чистоты поверх­ ности, а также ликвидируется первоначальный износ рабочей поверхности деталей, обеспечивая, тем самым, уменьшение износа деталей при эксплуатации, увеличение срока службы и точности машины.

В последнее время в СССР и за рубежом процесс суперфини­ ширования получил дальнейшее развитие, более полно отвечаю­ щее современным требованиям машиностроения.

Кинематика современных суперфинишных станков обеспечи­ вает обработку по автоматическому циклу с возможностью изме­ нения режима обработки в цикле. Изменяя скорость вращения изделия, можно управлять процессом суперфиниширования, пере­ водя обрабатываемую деталь из режима резания в режим полиро­ вания. Станки отличаются высокой производительностью и боль­ шими технологическими возможностями. Применение алмазных брусков, а также брусков из эльбора значительно повышает про­ изводительность процесса суперфиниширования, так как стой­ кость их в десятки раз больше стойкости обычных абразивных брусков.

Для обеспечения высокой производительности работы на супер­ финишных станках, получения необходимой геометрической точ­

Г л а в а I

СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА СУПЕРФИНИШИРОВАНИЯ И ЕГО НАЗНАЧЕНИЕ

1. Процесс суперфиниширования

Кинематика процесса и ее влияние на производительность и качество поверхности. Суперфиниширование представляет собой процесс чистовой обработки поверхностей деталей абразивными или алмазными брусками. Отличительной особенностью процесса суперфиниширования от других методов обработки, производи­ мых абразивным инструментом, является быстрое колебательное (осциллирующее) движение бруска или детали и небольшие удель­ ные давления бруска 0,05—0,3 МПа (0,5—3 кгс/см2) на обрабаты­ ваемую поверхность детали.

Основные рабочие движения детали 1 и бруска 2 (рис. 1) при суперфинишировании цилиндрических поверхностей скла­ дываются из вращения детали, осциллирующего движения бруска и продольного возвратно-поступательного перемещения бруска вдоль обрабатываемой поверхности. При бесцентровом суперфи­ нишировании напроход вращающиеся детали перемещаются под осциллирующими брусками.

Процесс резания при суперфинишировании происходит за счет внедрения большого числа вершин абразивных зерен, распо­ ложенных на поверхности бруска, в поверхностный слой металла и движения (царапания) этих зерен по обрабатываемой поверх­ ности детали.

Уравнение колебательного движения абразивного бруска при суперфинишировании можно записать следующим образом:

где X — величина хода бруска за время t в мм; I — максимальный ход бруска при колебании в мм; пб— число колебаний бруска в дв. ход/мин; t — время в с.

При осциллировании бруска абразивные зерна, расположенные на его поверхности, часто меняют направление движения, благо­ даря чему большое число вершин и режущих граней зерен может участвовать в работе. В каждый период движения бруска абра­ зивное зерно режет металл разными гранями. При изменении направления движения бруска происходит очистка зерен от стружки.

5

При суперфинишировании в результате сложения движений: вращения изделия, осциллирующего движения и продольной подачи бруска — на обрабатываемой поверхности остаются сину­ соидальные следы от прохождения абразивных зерен. Пути абра­ зивных зерен перекрещиваются и образуют сетку диагональноскрещивающихся следов обработки, которая на окончательно обработанной поверхности почти не видна.

Угол наклона траектории движения абразивного зерна, или угол сетки рисок, образуемый между направлением касательной

и частоты колебания бруска.

Исследованиями, приведенными в работах [15, 20, 36], уста­ новлено, что при суперфинишировании величина угла сетки рисок оказывает большое влияние на производительность и качество поверхности. При угле сетки рисок а = 30-ъ-50о происходит наиболее интенсивное резание металла. Это объясняется тем, что зерна абразивного бруска, перемещаясь по траектории, имеющей форму синусоиды, непрерывно изменяют свое положение по отношению к направлению движения и работают различными гранями. Такое изменение траектории движения режущих зерен изменяет направление действия силы резания на режущие зерна бруска, обеспечивает интенсивное самозатачивание рабочей по­ верхности бруска, сопровождающееся как частичным выкраши­ ванием целых зерен, так и скалыванием зерен с образованием новых вершин и граней. Это и обеспечивает интенсивный съем металла и наибольшую производительность процесса.

6

При увеличении угла сетки рисок до а==65-г-85° форма траек­

бруска почти не изменяется, в результате зерна затупляются и самозатачивания рабочей поверхности бруска не происходит. Поры абразивного бруска забиваются осколками выкрошенных абразивных зерен, частицами металла и процесс резания перехо­ дит в трение. Начинается пластическое деформирование шерохо­ ватости обрабатываемой поверхности, что обеспечивает получе­ ние высокого класса чистоты поверхности.

Изменяя угол сетки рисок, в процессе цикла обработки можно управлять процессом суперфиниширования. Установлено, что обработку деталей целесообразно проводить в два перехода. Первый переход предназначается для осуществления съема ме­ талла и обеспечения требуемой точности геометрической формы поверхности детали, устранения волнистости и огранки. Второй переход обеспечивает полирование поверхности до высоких клас­ сов чистоты.

Особо следует отметить, что при обработке на режиме, обе­ спечивающем непрерывное самозатачивание абразивных брусков, за счет большой площади контакта бруска с обрабатываемой поверхностью детали и постоянной правки бруска в процессе обработки по форме ее идеального геометрического профиля дости­ гается исправление некруглости и волнистости обработанной поверхности.

При правильно выбранных режиме обработки и характеристике абразивного бруска можно обеспечить длительное протекание процесса резания и полностью удалить дефектный поверхностный слой металла, образовавшийся при шлифовании. Наиболее интен­ сивный съем металла происходит в начальный период обработки. Это объясняется тем, что при большой шероховатости возникают большие удельные нагрузки на отдельные зерна бруска, в резуль­ тате чего происходит интенсивное самозатачивание бруска, и ре­ зание металла осуществляется все время острыми зернами. Затем, когда исходная шероховатость снижается, уменьшаются удельные нагрузки на зерна бруска, износ последнего снижается и процесс резания стабилизируется. При работе брусками оптимальной характеристики съем металла в дальнейшем происходит прямо пропорционально времени обработки.

Если режимы обработки и характеристика абразивного бруска подобраны неверно, может наступить быстрое притупление абра­ зивных зерен, что влечет за собой преждевременное прекращение процесса резания. Съем металла заканчивается раньше, чем будут полностью удалены следы предшествующей обработки.

Повышение точности и влияние суперфиниширования на эксплуатационные свойства поверхности деталей машин. До по­ следнего времени процесс суперфиниширования предназначался

7

лишь для уменьшения шероховатости поверхности. Существовало мнение, что суперфиниширование—самопрекращающийся процесс, при котором обработка происходит в пределах высоты неровно­ стей микропрофиля, без существенного изменения размеров и макрогеометрии поверхности. В настоящее время при суперфини­ шировании осуществляется съем повышенных припусков (0,006—- 0,01 мм и более на диаметр). При этом удаляются гребешки микро­ неровностей, частично дефектный поверхностный слой основного металла, а также обеспечивается исправление погрешностей предыдущей обработки в поперечном сечении в виде некруглости (до 0,2—0,7 мкм) и волнистости (до 0,05—0,2 мкм).

Обычно считают, что при суперфинишировании некруглость обрабатываемой поверхности уменьшается на 50—80% по отноше­ нию к величине исходной некруглости заготовки в зависимости от вида исходной погрешности и величины съема припуска, пло­ скостность плоских деталей при суперфинишировании увеличи­ вается также на 50—80%.

На исправление некруглости в большой степени влияет форма исходной поверхности деталей; овал исправляется в меньшей степени, значительно лучше исправляется огранка, особенно при числе граней больше трех. Погрешность геометрической формы в продольном сечении детали: конусообразность, бочкообразность, седлообразность — практически не исправляется или уменьшается незначительно.

От качества поверхностей деталей машин в значительной сте­ пени зависят важнейшие эксплуатационные свойства деталей: износостойкость, сохранение в процессе эксплуатации заданных посадок, величина сил трения и условия смазки сопрягаемых поверхностей, антикоррозийная стойкость, прочность изделий при знакопеременных нагрузках и т. д. К числу важных харак­ теристик свойств поверхности деталей машин относятся также их макро- и микрогеометрия, характеризующаяся волнистостью, шероховатостью и направлением следов механической обработки.

Поверхности деталей, полученные путем суперфиниширования, обладают значительно большей площадью фактического контакта по сравнению с поверхностями того же класса шероховатости,но полученными другими методами обработки, например шлифова­ нием. По данным работы [38], высота неровностей, достигаемая при разных способах обработки, составляет при тонком точении

такта) в зависимости от высоты шероховатости при R z = 10 мкм составляет 4%; при Rz = 5 мкм — 12%, при Rz = 2 мкм — 30%

и при Rz = 0,1 мкм—95 %.

Несущая часть поверхности после шлифования составляет примерно 30%. В результате суперфиниширования она увеличи­ вается до 95%, что имеет важное значение для увеличения износо­

8

стойкости деталей, сокращения времени их'приработки и сохра­ нения заданных допусков в узлах машин. Известно, что значение периода начального износа деталей или периода приработки особенно велико для ответственных узлов, лимитирующих точность и надежность работы машин, сохранение в процессе эксплуата­ ции заданных посадок, сил трения и т. д. От результатов приработки зависит время наступления усиленного износа, вызываемого из­ менениями зазоров в трущихся парах, а следовательно, долговеч­ ность работы механизмов и-машин.

При шлифовании деталей в результате высокой температуры в зоне резания (1100—1200° С) и больших удельных давлений разрушается. кристаллическая структура поверхностного слоя. Путем суперфиниширования детали деформированный слой может быть частично или полностью удален и таким образом создана высококачественная износостойкая поверхность детали. Новый деформированный слой при суперфинишировании не образуется, так как небольшие удельные давления, применяемые при обра­ ботке, повышают температуру поверхности незначительно (не более 50° С).

На рис. 2 [37] показаны виды поверхностей, полученных раз­ личными методами окончательной обработки: шлифованием, абра­ зивной доводкой и суперфинишированием. Как видно из рисун­ ков,- после суперфиниширования поверхность имеет чистую струк­ туру, по которой равномерно проходят тонкие канавки, в то время как после обработки другими методами поверхность нарушена — на ней видны разрывы, трещины и стыковки.

Направление следов механической обработки на несущей поверхности также оказывает немаловажное влияние на эксплуа­ тационные свойства детали. Так, например, взаимно пересекаю­ щиеся риски на суперфинишированной поверхности, образующие замкнутые резервуары, в которых надежно удерживается смазка, обеспечивают увеличение износостойкости и долговечности работы подшипниковой пары.

Ниже приведены некоторые примеры, показывающие влияние суперфиниширования на состояние поверхностного слоя, на рабо­ тоспособность и долговечность деталей машин.

Исследования влияния процесса суперфиниширования на состояние поверхностного слоя, приведенные в работе 19], пока­ зали, что в поверхностном слое металла возникают напряжения сжатия величиной от 250 до 800 МПа (от 25 до 80 кгс/мм2),.распро­ страняющиеся на глубину 7— 10 мкм. Микротвердость поверх­ ности термически не обработанных деталей после суперфиниширо­ вания повышается на 30—40%, а закаленных— на 10—15%.

Исследования работоспособности и долговечности подшипни­ ков [6, 7]^показали, что уменьшения волнистости с 2,5 до 0,5 мкм и огранки с 4 до 1 мкм увеличивают долговечность подшипников в два раза, а повышение чистоты поверхности с 9 до 11-го класса в 1,6—2 раза.

9