Что такое суперфиниширование?

Супенфиниширование представляет собой процесс чистовой обработки поверхностей деталей абразивными или алмазными брусками. Отличительной особенностью процесса суперфиниширования от других методов обработки, производимых абразивным инструментом, является быстрое колебательное (осциллирующее) движение бруска или детали и небольшое удельное давление бруска (0,05–0,3 МПа) на обрабатываемую поверхность детали.

Основные рабочие движения детали и бруска при суперфинишировании цилиндрических поверхностей складываются из вращения детали, осциллирующего движения бруска и продольного возвратно-поступательного перемещения бруска вдоль обрабатываемой поверхности. При бесцентровом суперфинишировании напроход вращающиеся детали перемещаются под осциллирующими брусками.

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

При осциллировании абразивные зёрна, расположенные на поверхности бруска, часто меняют направление движения, благодаря чему большое число вершин и режущих граней зёрен может участвовать в работе. При изменении направления движения происходит очистка зёрен от стружки.

В результате сложения движений: вращения изделия, осциллирующего движения и продольной подачи бруска – на обрабатываемой поверхности остаются синусоидальные следы от прохождения абразивных зёрен. Пути абразивных зёрен перекрещиваются и образуют сетку диагонально-скрещивающихся следов, которая на окончательно обработанной поверхности почти не видна.

Критерием, характеризующим процесс суперфиниширования, является угол наклона траектории движения абразивного зерна α, или угол сетки рисок, образуемый касательной к синусоидальной кривой в точке её пересечения с осью детали.

Зависимость между углом сетки рисок и параметрами процесса суперфиниширования выражается формулой

tg α = v_и/v_б = πd_иn_и/(2Ln_б),

где:

• α — угол сетки;
• L – ход бруска, мм;
• v_и — окружная скорость изделия, м/с;
• v_б — средняя скорость колебания бруска, м/с;
• d_и — диаметр изделия, мм;
• n_б — частота колебаний бруска, дв. ход/мин;
• n_и — частота вращения изделия, мин^-1.

Из формулы следует, что угол сетки рисок зависит от установленного соотношения частоты вращения изделия, хода и частоты колебания бруска.

При суперфинишировании угол сетки рисок оказывает большое влияние на производительность процесса и на качество поверхности. При α = 30º…50º происходит наиболее интенсивное резание металла и достигается наибольшая производительность. Это объясняется тем, что зёрна абразивного бруска, перемещаясь по траектории, имеющей форму синусоиды, непрерывно изменяют своё положение по отношению к направлению движения и работают различными гранями. При этом изменяется направление действия силы резания на режущие зёрна бруска и происходит интенсивное самозатачивание рабочей поверхности бруска, сопровождающееся как частичным выкрашиванием целых зёрен, так и их скалыванием с образованием новых вершин и граней.

При увеличении α до 65°…85° форма траектории движения режущих зёрен вытягивается и приближается к кольцевой линии. Зёрна в этом случае работают лишь определёнными гранями, а направление действия силы резания почти не изменяется, в результате чего зёрна затупляются и самозатачивания рабочей поверхности бруска не происходит. Поры абразивного бруска забиваются осколками выкрошенных зёрен, частицами металла и процесс резания переходит в процесс пластического деформирования шероховатости обрабатываемой поверхности.

Изменяя угол сетки рисок, в процессе цикла обработки можно управлять процессом суперфиниширования. Установлено, что обработку деталей целесообразно проводить за два перехода. За первый переход осуществляется съём металла, обеспечивается требуемая точность геометрической формы поверхности детали и устраняются волнистость и огранка. За второй переход производится полирование поверхности.

При обработке на режиме, обеспечивающем непрерывное самозатачивание абразивных брусков за счет большой площади контакта с обрабатываемой поверхностью детали и постоянной их правки, достигается 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 интенсивный съём металла происходит в начальный период обработки. Это объясняется тем, что при значительной шероховатости возникают большие удельные нагрузки на отдельные зёрна бруска, в результате чего происходит его интенсивное самозатачивание, и резание металла осуществляется всё время острыми зёрнами. Затем, когда исходная шероховатость снижается и уменьшаются удельные нагрузки на зёрна, износ бруска снижается, и процесс резания стабилизируется.

При работе брусками оптимальной характеристики съём припуска в дальнейшем происходит прямо пропорционально времени обработки.

Если режимы обработки и характеристики абразивного бруска подобраны неверно, может наступить быстрое притупление абразивных зёрен, что влечёт за собой преждевременное прекращение процесса резания. Съём металла закончится раньше, чем будут полностью удалены следы предшествующей обработки.

Способы суперфиниширования

Обработка наружных круглых поверхностей может производиться одним из следующих способов:

• в центрах с продольной подачей инструмента;
• в центрах — врезанием;
• бесцентровым суперфинишированием напроход;
• бесцентровым суперфинишированием врезанием.

При обработке в центрах с продольной подачей инструмента изделие закрепляется в центрах или патроне и вращается. Инструмент прижимается к изделию с определённым усилием, осциллирует и совершает продольное перемещение вдоль обрабатываемой поверхности.

Одновременная обработка нескольких поверхностей вала производится на специальных суперфинишных станках.

При обработке в центрах врезанием инструмент прижимается к вращающемуся изделию и совершает только осциллирующее движение. Этим способом суперфинишируют короткие цилиндрические поверхности, поверхности, ограниченные буртами, и конусные.

Обработку в центрах или в патроне можно производить суперфинишными головками, установленными на токарных, круглошлифовальных и других станках, а также на суперфинишных станках с автоматическим циклом.

При бесцентровой обработке напроход вращение детали и её перемещение осуществляются двумя валками, вращающимися в одном направлении. Изделия последовательно проходят под осциллирующими абразивными брусками разной зернистости и твёрдости. Первые бруски имеют крупную зернистость, последующие — мелкую. Усилия прижима брусков также не одинаковы. В связи с этим первыми брусками обеспечивается основной съём металла и исправление некруглости и волнистости, последующими — требуемая шероховатость поверхности.

Продольное перемещение изделий на валках происходит за счет осевой составляющей силы трения, возникающей при развороте одного или обоих валков на некоторый угол θ относительно оси изделий. Необходимую силу трения получают путём подбора соответствующего угла контакта между валками и изделием. Угол контакта изделия с валками выбирается таким, чтобы не было заклинивания изделия на валках, а составляющая сила трения была достаточной для обеспечения вращения изделия. Угол контакта φ находится в пределах 15°…20° и регулируется путём изменения расстояния между валками. При φ < 15° происходит заклинивание изделия между валками, а при φ > 20° детали проскальзывают на валках.

Продольная подача изделия определяется окружной скоростью валков и углом их разворота.

Бесцентровая обработка деталей напроход по сравнению с обработкой в центрах имеет следующим преимущества:

• высокую производительность процесса за счет применения больших скоростей и сокращения времени загрузки и выгрузки деталей;
• возможность суперфиниширования деталей малого диаметра и большой длины.

При бесцентровой обработке врезанием изделия базируются на двух цилиндрических валках, установленных горизонтально. Рабочие поверхности валков выполняются по форме изделия. В отличие от способа обработки напроход изделия суперфинишируют в одной позиции, одним бруском, но с двумя различными окружными скоростями вращения. Первоначально изделие вращается с низкой окружной скоростью (черновой режим), а затем через определённое время окружная скорость автоматически повышается в 4…6 раз (чистовой режим). Продолжительность каждого режима устанавливается с помощью реле времени в зависимости от снимаемого припуска и требуемой шероховатости поверхности. В большинстве случаев кроме осциллирующего движения бруска имеет место его медленное продольное перемещение (подача) вдоль обрабатываемой поверхности.

Таким способом суперфинишируют цилиндрические детали с буртами, обработка которых напроход невозможна, а также цилиндрические и конические ролики как с прямолинейной, так и с выпуклой поверхностью качения.

Обработка внутренних поверхностей изделий может осуществляться на токарных станках суперфинишными головками, оснащёнными специальными державками, или на суперфинишных станках с применением специальных приспособлений.

Обработка плоских торцовых поверхностей обычно осуществляется торцом чашечного круга или осциллирующим абразивным бруском. Обрабатываемые поверхности изделий располагают горизонтально. Исключение составляют отдельные случаи одновременного суперфиниширования двух поверхностей, например поверхностей тормозных дисков.

Обработка сферических поверхностей производится профилированным чашечным кругом, установленным под некоторым углом к оси сферы.

Обработка конических торцовых поверхностей производится абразивным бруском, осциллирующим параллельно образующей конуса.

Классификация и выбор суперфинишных станков

Суперфинишные станки можно разделить по следующим основным признакам:

1) по способу обработки:

• станки для обработки в центрах;
• бесцентровые станки;
• станки для суперфиниширования торцовых поверхностей, шеек коленчатых валов, желобов колец подшипников.

2) по степени универсальности:

• широкого назначения;
• специализированные.

3) по степени автоматизации (большинство суперфинишных станков — полуавтоматы);

4) по числу рабочих позиций:

• однопозиционные;
• двухпозиционные;
• многопозиционные.

5) по компоновке.

Наиболее распространённые модели суперфинишных станков перечислены в таблице №1.

Таблица №1.

Выбор суперфинишного станка в зависимости от вида поверхности и способа обработки.

Абразивные инструменты, применяемые при суперфинишировании

Абразивные инструменты в отличие от других режущих инструментов обладают способностью самозатачиваться в процессе работы, обрабатывать различные по твёрдости материалы, обеспечивая при этом такие точность, шероховатость и качество поверхностного слоя, которые нельзя получить никаким другим инструментом. Восстановление режущей способности абразивных брусков в процессе работы, или самозатачивание, происходит в результате обламывания, выкрашивания и вырывания целых зёрен тогда, когда силы резания превосходят прочность зёрен или силу их сцепления со связкой. В зависимости от характеристики брусков, режима резания и обрабатываемого материала свойство самозатачивания проявляется по-разному и характеризует работоспособность брусков и их стойкость.

Результаты суперфиниширования в основном зависят от правильности выбора характеристики брусков и рациональности установленных режимов, так как только при оптимальных режимах обработки можно обеспечить максимальную производительность, необходимую точность, а также минимальный расход брусков.

Абразивные бруски характеризуются следующими основными параметрами:

• абразивным материалом;
• зернистостью;
• материалом связки;
• твёрдостью;
• геометрической формой и размерами.

Абразивный материал. При суперфинишировании наибольшее распространение получили бруски, изготовленные из белого электрокорунда и карбида кремния зелёного. В отдельных случаях — при чистовом суперфинишировании, для получения поверхности с зеркальным блеском — используются бруски из электрокорунда хромистого (ЭХ) и глинозёма (ГЛ).

Связка. Связка — материал, входящий в состав инструмента и скрепляющий зёрна абразивного материала. Наиболее широкое распространение получили абразивные бруски на керамической (К) и бакелитовой (Б) связках.

Керамическая связка обладает высокой прочностью, большой жесткостью, имеет значительную химическую стойкость и водостойкость и может работать с любым видом охлаждающей жидкости и без охлаждения, позволяет получить абразивный инструмент любой зернистости и твёрдости. Абразивные бруски на керамической связке изготавливают методом прессования и литья.

Литые бруски имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с прессованными: они обладают высокой однородностью структуры и большим количеством режущих зёрен на их рабочей поверхности, быстро и хорошо прирабатываются к поверхности изделия, равномерно изнашиваются и хорошо самозатачиваются. Всё это обеспечивает длительное сохранение режущей способности бруска, увеличивает съём металла в 1,6–2,8 раза по сравнению с прессованными брусками той же зернистости. Применение литых брусков, обладающих равномерным распределением зёрен и связки, с малыми колебаниями твёрдости позволяет получить шероховатость поверхности с Ra = 0,032…0,020 мкм.

Недостатком керамической связки является её хрупкость, которая при увеличении частоты колебания бруска в ряде случаев приводит к скалыванию его кромок. Для уменьшения хрупкости и устранения сколов применяется пропитка брусков серой.

Бакелитовая связка имеет более высокую прочность и упругость, чем керамическая, но обладает невысокой теплостойкостью (при температуре 200ºС и выше связка приобретает хрупкость) и недостаточно устойчива против действия охлаждающей жидкости. При охлаждении жидкостью, содержащей более 1,5% щелочей, абразивный инструмент на бакелитовой связке «размокает», несколько теряя твёрдость и прочность.

На выбор характеристики бруска влияют следующие факторы:

• материал обрабатываемого изделия, и его твёрдость;
• исходная шероховатость изделия;
• требуемая окончательная шероховатость поверхности изделия.

Рекомендации по выбору абразивного материала и связки брусков приведены в таблице №2.

Таблица №2.

Выбор абразивного материала и связки суперфинишных брусков в зависимости от характеристики обрабатываемого материала.

Зернистость. Выбор зернистости абразивного бруска производится в зависимости от исходной и требуемой шероховатостей поверхности (см. таблицу №3). Чем грубее исходная поверхность, тем крупнее должна быть выбрана зернистость брусков. Увеличение зернистости приводит к увеличению производительности, но одновременно увеличивается и шероховатость поверхности.

Таблица №3.

Зернистость абразивных брусков в зависимости от требуемой шероховатости поверхности.

Твёрдость. Под твёрдостью абразивного инструмента понимается сопротивляемость связки вырыванию абразивных зёрен с поверхности инструмента под действием сил, возникающих в процессе обработки.

Установлена следующая шкала степеней твёрдости абразивного инструмента (ГОСТ 19202):

• ВМ1, ВМ2 — весьма мягкий;
• М1, М2, М3 — мягкий;
• СМ1, СМ2 — среднемягкий;
• С1, С2 — средний;
• СТ1, СТ2, СТ3 — среднетвёрдый;
• Т1, Т2 — твёрдый;
• ВТ — весьма твёрдый;
• ЧТ — чрезвычайно твёрдый.

Цифры 1, 2, 3 справа от буквенного обозначения характеризуют твёрдость абразивного инструмента в порядке её возрастания.

Определение и контроль твёрдости производятся на приборе Роквелла.

Выбор твёрдости абразивного бруска производится в зависимости от материала, твёрдости и шероховатости обрабатываемой поверхности. Чем твёрже обрабатываемый материал, тем «мягче» выбирается брусок, и чем грубее обрабатываемая поверхность, тем «твёрже» брусок. Рекомендации по выбору твёрдости абразивного бруска в зависимости от исходной шероховатости при суперфинишировании стальных деталей приведены в таблице №4.

Таблица №4.

Рекомендуемая твёрдость абразивных брусков в зависимости от исходной шероховатости поверхности.

Размеры бруска. Правильный выбор размеров бруска имеет большое значение при суперфинишировании, так как устранение исходной огранки и волнистости происходит только в том случае, когда рабочая поверхность бруска превышает длину волны в поперечном сечении обрабатываемой поверхности изделия.

Рабочая ширина бруска В определяется углом охвата поверхности изделия. Максимальный съём металла и наименьшее значение шероховатости достигаются при угле охвата 75°. Обычно рабочая ширина бруска выбирается в пределе (0,5…0,6)D изделия. Наибольшая рекомендуемая ширина бруска составляет 25 мм. При использовании брусков большей ширины ухудшается доступ СОЖ в зону обработки, затрудняется удаление отходов, что приводит к снижению качества обработанной поверхности. При ширине брусков менее 0,4D исправление некруглости профиля изделия происходит в малой степени. Для обработки больших диаметров изделий применяют два — четыре бруска, закреплённые в одной державке.

При обработке изделия с широкими продольными канавками или пазами ширина бруска должна быть в 1,5 раза больше ширины канавки или паза.

Длину бруска выбирают в зависимости от длины обрабатываемой поверхности изделия. При обработке открытых поверхностей с применением продольной подачи длина бруска должна составлять не более 1/3 длины обрабатываемой поверхности. Суперфиниширование коротких участков поверхности без продольной подачи рекомендуется производить брусками, длина которых равна длине обрабатываемой поверхности.

Абразивные бруски выпускаются двух типов: квадратные (БКв) и прямоугольные (БП). Размеры шлифовальных брусков определяются ГОСТ 2456.

Бруски изготавливаются двух классов точности: А и Б. Предельные отклонения брусков в зависимости от их размеров должны соответствовать следующим квалитетам:

• для класса точности А ±IT14/2, ±IT15/2;
• для класса точности Б ±IT15/2, ±IT16/2.

При заказе абразивных брусков необходимо указывать типоразмер бруска, маркировку абразивного материала, номер зернистости, степень твёрдости, номер структуры, вид связки, класс точности.

Структура. Структура абразивного инструмента характеризуется содержанием абразивного материала в единице его объёма, выраженным в процентах. Абразивные инструменты изготавливаются со структурой от №1 до №12; чем выше номер структуры, тем больше связки и меньше зёрен в единице объёма инструмента. Структуры №1 — №4 называют закрытыми (плотными), №5 — №8 – средними, №9 — №12 – открытыми.

Пропитка брусков. Для повышения стойкости абразивного инструмента в его поры вводят твёрдые активные смазки, при этом улучшаются условия резания и повышается качество обработанной поверхности. В зависимости от условий обработки абразивные бруски пропитываются серой, сульфированным стеарином, эпоксидно-бакелитовым раствором и другими твёрдыми смазками.

Абразивные бруски, поры которых заполнены твёрдой смазкой, изнашиваются в 2–3 раза меньше обычных и не засаливаются. Их режущие свойства поддерживаются постоянными, в результате чего съём металла увеличивается. Этот эффект достигается благодаря тому, что твёрдая смазка ограничивает глубину проникновения режущих зёрен в обрабатываемую поверхность и препятствует попаданию стружки в поры. Расплываясь в зоне резания, она смазывает трущиеся поверхности зёрен и детали и исключает налипание стружки на режущий инструмент.

Применение алмазных брусков в практике суперфиниширования значительно повышает производительность процесса, так как период стойкости их в десятки раз выше, чем у обычных абразивных брусков.

Алмазные бруски представляют собой державку с нанесённым на неё рабочим алмазоносным слоем, который состоит из зёрен природных или синтетических алмазов, связки и наполнителя. Характеризуются алмазные бруски маркой материала, зернистостью, связкой, твёрдостью и концентрацией алмаза.

В качестве связки в алмазных брусках применяются керамические, органические (бакелитовые) и металлические связующие вещества.

Источники:

• Мазальский В.Н. Суперфинишные станки. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. — 127 с.
• Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. — М.: Машиностроение, 2002. — 684 с.