Особенности шлифования. 
Технология машиностроения

После изучения материала данной главы студент должен:

знать

• • отличительные черты шлифования;
• • особенности шлифования традиционного и глубинного, торцом и периферией круга;
• • виды шлифования, виды и характеристики шлифовальных кругов, способы правки кругов;

уметь

• • добиваться повышения производительности и точности при шлифовании плоских, цилиндрических, торцовых и контурных поверхностей;
• • выполнять правку кругов с целью достижения требуемых результатов обработки;
• • рассчитывать трудозатраты при различных способах шлифования;

владеть

• • способами достижения высокой производительности и качества поверхности при шлифовании;
• • способами балансировки шлифовальных кругов;
• • маркировкой шлифовальных кругов;
• • правилами техники безопасности и охраны груда при шлифовании.

Виды шлифования

Шлифование — это способ механической обработки поверхностей, выполняемый быстровращающимися кругами из абразивных материалов.

Вращение шлифовального круга является главным движением. Скорость резания — от 25 до 32 м/с, при скоростном шлифовании может достигать 60 м/с.

Различают (рис. 8.1) следующие виды шлифования:

• а) круглое с продольной подачей;
• б) круглое врезное (с поперечной подачей);
• в) бесцентровое;
• г) внутреннее;
• д) плоское периферийное;
• е) плоское торцовое.

Рис. 8.1. Схемы основных видов шлифования:

1 — шлифовальный круг; 2 — заготовка; 3 — подставка под заготовку; 4 — ведущий круг при бесцентровом шлифовании; v_K и г;_кш — вращение шлифовального круга; v₃ — вращение заготовки; $_пр — продольное движение подачи; s_n — поперечное движение подачи; v_KB — вращение ведущего круга; а — угол наклона оси ведущего круга Для выполнения этих видов шлифования производят следующие шлифовальные станки: кругло-шлифовальные, внутришлифовальные, универсально-шлифовальные (объединяющие возможности первых двух), бесцентрово-шлифовальные, плоскошлифовальные и их разновидность продольно-шлифовальные.

На рис. 8.2 представлены некоторые станки шлифовальной группы.

Лекально-шлифовальный станок — это высокоточный станок, используемый в инструментальном производстве.

Рис. 8.2. Некоторые виды шлифовальных станков:

а — кругло-шлифовальный; 6 — внутришлифовальный; в — плоскошлифовальный; г — продольно-шлифовальный; д — лекально-шлифовальный Прежде чем начать подробное рассмотрение видов шлифования, нужно остановиться на двух способах выполнения этой обработки (рис. 8.3). Речь пойдет о традиционном шлифовании, с выполнением при каждом рабочем ходе резания с малой глубиной, и о глубинном шлифовании, когда за один рабочий ход производят съем почти всего припуска.

Рис. 8.3. Способы и виды шлифования.

Рассмотрим традиционный способ на примере плоского шлифования. Аналогично выполняются и другие виды шлифования, характеризуемые малой глубиной резания (не более сотых долей миллиметра).

Шлифование напоминает строгание, в котором резец заменен шлифовальным кругом (см. рис. 8.1, д). Стол с заготовкой совершает продольное возвратно-поступательное движение, которое является основной подачей 5_пр. Кроме этого имеются еще две подачи: одна в поперечном направлении 5_П, перпендикулярном продольному, и другая — врезание на глубину s_n. Почему именно строгание, а не цилиндрическое фрезерование?

Все дело в скорости выполнения продольной подачи л_пр. При всех видах традиционного шлифования (круглом, внутреннем, плоском) во избежание прожогов нельзя особенно медленно осуществлять основную подачу. Практика показывает, что величина основной подачи должна лежать в диапазоне 10—35 м/мин. Это довольно быстрое перемещение, именно при таких скоростях выполняется строгание. Подача в поперечном направлении s_n может быть довольно большой по величине и составлять значительную долю ширины круга. Величина врезания мала и равняется нескольким микрометрам, не более 30.

Кроме традиционного, в последние годы находит все большее применение глубинное шлифование. Для понимания различия между этими двумя способами продолжим рассмотрение примера плоского шлифования. Глубинное шлифование (рис. 8.4) выполняют с большой глубиной резания ?, достигающей десятка миллиметров, на малой скорости продольной подачи 5_пр. Способ напоминает фрезерование цилиндрической фрезой.

Рис. 8.4. Глубинное шлифование.

Глубинное шлифование приводит к росту производительности, поэтому правомерен вопрос: нельзя ли вообще отказаться от традиционного и перейти к глубинному шлифованию? Изучим более внимательно особенности выполнения глубинного шлифования, приведенные на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Условия выполнения глубинного шлифования

Прежде всего, необходимы высокопористые шлифовальные круги. Плотность таких кругов настолько мала, что без труда можно продуть насквозь круг шириной в несколько десятков миллиметров.

Во-вторых, образуется очень много шлама из продуктов правки кругов и шлифования, в связи с чем требуется интенсивная очистка СОЖ.

В-третьих, главный привод должен обладать гораздо большей мощностью, чем при традиционном шлифовании.

Ясно, что для реализации глубинного шлифования необходимы специальные шлифовальные круги и станки, обладающие характеристиками, отсутствующими у традиционных шлифовальных.

На кругло-шлифовальных станках выполняют обработку наружных и торцовых поверхностей тел вращения. Эти станки могут иметь два исполнения, отличающиеся различным расположением шпинделей.

Расположение шпинделей станка имеет большое значение при шлифовании торцов (рис. 8.6). Если оси круга 1 и заготовки 2 параллельны между собой, как показано на левой части рисунка, то торец заготовки шлифуют торцом круга. Во избежание прожогов торец круга нужно заправить таким образом, чтобы с торцом заготовки контактировал узкий поясок круга. Угол, а невелик: 7—8°.

Рис. 8.6. Схемы шлифования торцов обрабатываемых изделий

В другом исполнении станков оси круга и заготовки не параллельны между собой (правая часть рис. 8.6). Это так называемые станки с «косым кругом». Такое исполнение создает условия для шлифования периферией круга как наружных поверхностей вращающейся со скоростью^{заготовки,} так и ее торцов. Обычно задают вопрос о направлении вращений круга и заготовки. Ответ такой: направление вращения в большинстве случаев (кроме некоторых особых видов шлифования) безразлично, так как частота вращения круга многократно превышает частоту вращения заготовки.

Кроме движения вращения заготовки, имеются два движения подачи: круг смещается вдоль заготовки, как показано на рис. 8.1, а (кроме врезного шлифования, показанного на рис. 8.1, б, когда это движение отсутствует), и круг постепенно врезается на глубин}' с подачей х_п.

На кругло-шлифовальных станках с ЧПУ шлифование наружных поверхностей целесообразно выполнить не перемещением круга вдоль заготовки (на станках со сравнительно малым межцентровым расстоянием — это перемещение стола с заготовкой относительно круга), а первоначальным врезанием на величину припуска на сторону t с поочередным смещением круга на величину, несколько меньшую его ширины.

Рис. 8.7. Шлифование поверхности врезанием.

На рис. 8.7 показано, что пришлось сделать семь поочередных врезаний: по два врезания на первой, второй и третьей (со стороны передней бабки) ступенях заготовки, которые имеют большую протяженность, чем ширина круга, а на короткой четвертой — одно. При врезаниях круг на рабочей подаче s_n проходит малый путь, равный величине припуска ?, а переходы в новое положение врезания осуществляются очень быстро на скоростях холостых перемещений рабочих органов, которые на шлифовальных станках достигают 30 м/мин. Это дает несомненный выигрыш в производительности обработки.

Для рассматриваемого примера сравним протяженность пути, по которому должен переместиться шлифовальный круг на рабочей подаче при обоих способах. Для съема припуска в 0,4 мм по диаметру традиционным способом потребуется не менее 13 рабочих ходов на всю длину детали, и путь составит L_rp = 13(/₁ + /₂ + /₃ + /Д. При работе врезанием путь многократно меньше и равен L_Bp = 2t_x + 21₂ + 2t₃ + t_A.

Кругло-шлифовальные станки обладают особенностью, которая позволяет достичь высокой точности обработки. Оба центра, на которых базируется заготовка, в том числе передний, неподвижны, вращения у них нет. Такие центры называются «глухими». Как показано на рис. 8.7, вращение заготовке передает поводок, установленный во вращающейся планшайбе.

Короткие детали закрепляют во вращающемся зажимном патроне. Внутришлифовальные станки служат для обработки отверстий и торцов тел вращения. Движения подачи аналогичны движениям на кругло-шлифовальных станках.

Необходимо обратить внимание на одну особенность внутреннего шлифования. При шлифовании цилиндрических внутренних поверхностей ось шлифовального круга должна перемещаться параллельно оси шпинделя станка, совершенно безразлично, выше или ниже лежат эти оси по отношению друг к другу. В принципе, они лежат в одной плоскости.

Совершенно иная картина возникает при шлифовании конического отверстия. Если линия движения оси круга будет лежать выше или ниже оси станка, то она никогда не будет лежать в одной плоскости с осью вращения заготовки Z (рис. 8.8). Вместо конической поверхности получится гиперболоид. Чем больше угол конусности, тем больше погрешность обработки.

Рис. 8.8. Гиперболоид

На универсально-шлифовальных станках можно обрабатывать все поверхности тел вращения, как наружные, так и внутренние. Эти станки имеют два шлифовальных шпинделя: один для наружных, другой для внутренних и торцовых работ.

При бесцентровом шлифовании жесткость технологической системы «станок — шлифовальный круг — заготовка — ведущий круг» в 1,5—2 раза выше, чем жесткость системы при круглом шлифовании в центрах. В связи с этим при бесцентровом шлифовании имеется возможность повысить режимы резания в таких же пределах. Далее будет показано, как при бесцентровом шлифовании достигают высокой точности формы и концентричности обработанных поверхностей.

Рис. 8.9. Бесцентрово-шлифовальный станок модели ЗМ82.

Как показано на рис. 8.1, в на бесцентрово-шлифовальных станках (рис. 8.9) обрабатывают наружные поверхности двумя кругами, из которых круг 1 является рабочим, а круг 4 — ведущим. Ведущий круг за счет трения и разворота его оси на некоторый угол, а придает заготовке, свободно лежащей на ноже между кругами, движения вращения н_заг и продольной подачи s_np.

Из схемы бесцентрового шлифования следует, что окружная скорость заготовки о_заг — o_Kcosa, а продольная подача s_np — «_Ksina, где г;_к — окружная скорость ведущего круга; a — угол поворота ведущего круга.

Поскольку наибольший угол поворота a = 6°, cosa = 0,9945, то практически окружные скорости заготовки диаметром d и ведущего круга равны, т. е. ^v:tar ^{= ь}'к или тк/Взаг/ЮОО = лП_ки_к/Ю00, откуда частота вращения заготовки и_заг зависит от параметров ведущего круга:

Диаметр обрабатываемого изделия равен наименьшему расстоянию между кругами. Способ используют при обработке прутков значительной длины.

Рассмотрим другие способы бесцентрового шлифования.

При врезном способе шлифования без продольной подачи оси рабочего и ведущего кругов параллельны между собой. Ведущий круг реализует радиальную подачу врезания л_п приближением к рабочему кругу. В начале процесса врезного шлифования большая часть припуска удаляется при повышенной радиальной подаче на глубину, затем подачу снижают, и в конце обработки заготовка шлифуется без подачи в течение нескольких оборотов.

Форма поверхностей заготовок, шлифуемых методом врезания, может быть гладкой цилиндрической или конической, ступенчатой цилиндрической, фасонной. В последних случаях шлифовальному и ведущему кругам правкой придается соответствующая форма рабочей поверхности.

На рис. 8.10 изображены: шлифовальный круг 1 с вращением о_кш, заготовка 2 с вращением v_3ar, ведущий круг 4 с вращением «_к и поперечной подачей л_п. Продольному смещению заготовки 2, опирающейся на нож 3, препятствует осевой упор 5. Этот способ применяют при обработке сравнительно коротких деталей, длина которых не превышает ширину шлифовать ных кругов.

Рис. 8.10. Бесцентровое шлифование заготовок:

а — цилиндрических; 6 — конических; в — ступенчатых Заготовку не закрепляют в центрах или патроне, как на обычных шлифовальных станках, и она благодаря этому не приобретает погрешности закрепления.

Заготовка получает вращение от ведущего круга, скорость которого в 60—100 раз меньше окружной скорости шлифовального круга.

На практике применяют попутное шлифование: шлифовальный круг и заготовка вращаются в разные стороны. Таким образом, скорость шлифования v_m определяется как разность скоростей шлифовального круга г>_кш и заготовки о_за[. в точке контакта:

Так как сила трения между заготовкой и шлифовальным кругом меньше, чем между заготовкой и ведущим кругом, заготовка вращается практически со скоростью ведущего круга. Разность скоростей заготовки и шлифовального круга обеспечивает процесс шлифования.

Бесцентровое шлифование отличается более высокой производительностью по сравнению с другими видами абразивной обработки, легко поддается автоматизации, благодаря чему широко распространено в крупносерийном и массовом производствах.

В крупносерийном производстве загрузочный механизм передает заготовки в зону резания, дальше они перемещаются по ножу вдоль оси друг за другом.

При врезном шлифовании ведущий круг, нож и обработанную деталь после обработки отводят от шлифовального круга, удаляют деталь и устанавливают новую заготовку. Этот метод тоже сравнительно легко поддается автоматизации с дополнением активного контроля размеров обработки и автоматической правки кругов.

В настоящее время в массовом производстве применяют бесцентровое наружное и внутреннее шлифование на жестких опорах (башмаках). Заготовку вращает магнитная планшайба, на которой она базируется торцом и удерживается силами магнитного притяжения. Поскольку ось заготовки располагается ниже оси магнитной планшайбы, заготовка прижимается к направляющему ножу, вращающимся роликам или жестким опорам.

Этот вид обработки нашел широкое применение при изготовлении колец подшипников, деталей, отличающихся в силу своей тонкостенное™ малой жесткостью.

Исключаются деформации, свойственные закреплению в патроне. Для привода вращения заготовки не используется ведущий круг, погрешности формы поверхностей которого также вызывают погрешности обработки. Заготовка 2 своим предварительно обработанным также в режиме бесцентрового плоского шлифования торцом базируется на зеркало вращающейся со скоростью v" магнитной планшайбы 1 (рис. 8.11 и 8.12), которая выполняет функции базирования и одповремепно привода вращения заготовки со скоростью гл_аг.

Жесткие опоры расположены так, что между осями магнитной планшайбы и заготовки имеется эксцентриситет е. Наличие эксцентриситета в несколько миллиметров обеспечивает при вращении планшайбы прижим заготовки к жестким опорам. Усилие притяжения магнитной планшайбы достаточно для придания заготовке вращения, но в то же время позволяет заготовке скользить по ее зеркалу.

На рис. 8.11 жесткие опоры расположены внутри заготовки. Такое расположение не является абсолютно обязательным. Можно базировать заготовку и по наружной, шлифуемой, поверхности. Используется явление постепенного уменьшения исходной погрешности заготовки при базировании ее на призме. При бесцентровом внутреннем шлифовании на жестких опорах (см. рис. 8.12) заготовка базируется по наружной поверхности и свободно опирается на две радиальные жесткие опоры А н В.

Рис. 8.11. Бесцентровое шлифование наружной поверхности на жестких опорах.

Рис. 8.12. Бесцентровое шлифование внутренней поверхности на жестких.

опорах Конструктивно жесткие опоры выполняют точечными неподвижными 1 (рис. 8.12, б) или самоустанавливающимися 2 (рис. 8.12, в).