ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СУПЕРФИНИШИРОВАНИЯ

1.1. Влияние суперфиниширования на эксплуатационные свойства деталей машин

Эксплуатационные свойства деталей машин (износостой­кость, усталостная прочность, контактная жесткость, коррози­онная стойкость и др.) существенным образом зависят от каче­ства их сопрягаемых поверхностей и поверхностного слоя, ко­торые определены геометрическими параметрами (номинальная геометрия, отклонения формы и расположения поверхностей, волнистость, шероховатость) и физико-механическими свойст­вами поверхностных слоев (микротвердость, остаточные напря­жения, структура). Все эти параметры неразрывно связаны с технологией изготовления. Чтобы получить то или иное экс­плуатационное свойство детали или узла, необходимо обеспе­чить требуемые характеристики качества рабочих поверхностей деталей. Для решения этой задачи следует знать зависимости, связывающие характеристики качества обрабатываемых по­верхностей с условиями обработки (режимы, геометрия инстру­мента и т. д.), причем эти зависимости должны отражать влияние технологической наследственности.

Суперфиниширование выполняют после шлифования, а для заготовок, не подвергающихся термической обработке, — после чистового и тонкого точения на специальных суперфинишных станках или универсальных токарных и шлифовальных станках с суперфинишными головками. Суперфиниширование приме­няют в качестве финишной операции, в основном при обработке наружных поверхностей. Широкое распространение суперфи­ниширование получило в подшипниковой промышленности для доводки колец, роликов, иголок, шаров. В автомобильной про­мышленности суперфинишированием обрабатывают шейки ко­ленчатых и распределительных валов, поршни и поршневые пальцы, тормозные диски и барабаны, клапаны, валы коробок передач, штоки амортизаторов. В станкостроении суперфини — шируют шпиндели и пиноли, роторы электродвигателей, в дру­гих отраслях машиностроения — гладкие и ступенчатые валы, круглые калибры, плунжеры, золотники, валы для холодной прокатки листового материала и другие детали.

Поверхности заготовок, полученные суперфинишированием, обладают значительно большей площадью фактического контакта по сравнению с поверхностями, полученными другими методами обработки. По литературным данным, высота микронеровностей, достигаемая при разных способах обработки, составляет: при тон­ком точении Rz = 10…40 мкм, при шлифовании Rz = 4… 10 мкм, при тонком шлифовании Rz = 1.4 мкм, при суперфинишировании Rz = 0,1.0,5 мкм. Несущая часть поверхности (опорная поверх­ность) в зависимости от высоты шероховатости при Rz = 10 мкм равна 4 %, при Rz = 5 мкм — 12 %, при Rz = 2 мкм — 30 %, при Rz = 0,1 мкм — 95 % [5]. В результате опорная поверхность после шлифования составляет примерно 30 %, в результате суперфини­ширования она увеличивается до 95 %. Данный факт имеет боль­шое значение для повышения износостойкости деталей, сокраще­ния времени их приработки и сохранения заданных посадок в уз­лах машин. Известно, что значение периода приработки деталей особенно велико для ответственных узлов, лимитирующих точ­ность и надежность работы машин. От результатов приработки за­висит время наступления усиленного износа, вызываемого измене­нием зазоров в трущихся парах, а следовательно, долговечность механизмов и машин.

При шлифовании в результате высокой температуры в зоне резания (1100-1200 °С) и больших давлений разрушается кри­сталлическая структура поверхностного слоя заготовок. Путем суперфиниширования деформированный слой может быть час­тично или полностью удален и создана высококачественная из­носостойкая поверхность. Новый деформированный слой при суперфинишировании не создается, так как небольшие давле­ния, применяемые при обработке, повышают температуру по­верхности незначительно (не более 50-80 °С). После суперфи­ниширования поверхностный слой имеет структуру, по которой равномерно проходят тонкие канавки, в то время как после об­работки другими методами на поверхности видны разрывы, трещины и стыковки (рис. 1.1).

а б в Рис. 1.1. Поверхности (Х12000), полученные шлифованием (а), абразивной доводкой (б) и суперфинишированием (в) [24]

Направление следов механической обработки на несущей по­верхности также оказывает немаловажное влияние на эксплуата­ционные свойства деталей. Так, взаимно пересекающиеся риски на суперфинишированной поверхности образуют замкнутые резер­вуары, в которых надежно удерживается смазка. Исследования влияния процесса суперфиниширования на состояние поверхност­ного слоя показали, что в поверхностном слое металла возникают напряжения сжатия от 250 до 800 МПа, распространяющиеся на глубину 7-10 мкм. Микротвердость поверхности термически не­обработанных заготовок после суперфиниширования повышается на 30-40 %, а закаленных — на 10-15 %. Причина упрочнения за­ключается в интенсивном измельчении кристаллических блоков и увеличении плотности дислокаций.

Широкое применение суперфиниширование получило в подшипниковой промышленности. Известно, что наибольшее влияние на долговечность подшипников качения оказывают: от­клонение от круглости, волнистость, шероховатость, наличие шлифовочных или доводочных рисок. Повышение точности из­готовления тел качения увеличивает долговечность подшипни­ков на 30 %, снижение огранки с 4 до 1 мкм подшипника 307 повышает долговечность в 2 раза, а уменьшение волнистости с 2,5 до 1 мкм увеличивает контактную выносливость более чем в 3 раза. При этом наличие волнистости вызывает неравномерное распределение шероховатости и твердости, что создает допол­нительный источник концентрации напряжений, особенно при циклических нагрузках. Снижение шероховатости рабочих по­верхностей подшипников в интервале Ra = 0,25 мкм — Ra = = 0,08…0,04 мкм в несколько раз увеличивает долговечность. Наличие отдельных рисок на рабочих поверхностях деталей подшипников, выходящих за пределы общего фона шероховато­сти поверхности, может вызывать резкое снижение долговечно­сти. Возникновение отдельных доводочных рисок обусловлено разной высотой расположения зерен и степенью их затупления в конце рабочего цикла. Глубина рисок при суперфинишировании может примерно на 25-50 % превышать высоту микронеровно­стей основной шероховатости.

Важным комплексным показателем качества подшипника является шумность его работы. По данным литературных ис­точников, уровень вибраций подшипника качения зависит от огранки и волнистости дорожки и тел качения. Разноразмер­ность тел качения и шероховатость, не выходящие за пределы допустимых значений, не оказывают существенного влияния на шумность подшипников. Наибольший вклад вносят геометриче­ские отклонения поверхностей шариков или роликов. Например, с увеличением величины огранки роликов подшипников 42204, 32205, 32206, 32306 с 0,3 мкм до 3,4 мкм уровень вибрации подшипника при n = 3000 мин-1 повысился на 16,5 дБ. Наиболее интенсивное возрастание вибраций происходит с увеличением огранки от 0,3 до 1 мкм, а отклонение от круглости приводит к увеличению высокочастотных составляющих спектра.

Точность обработки суперфинишированием зависит от же­сткости технологической системы, основными элементами ко­торой являются устройство для передачи давления на брусок, базирующие элементы и заготовка. Лучшие результаты дости­гаются при передаче давления на брусок непосредственно от штока гидро- или пневмоцилиндра суперфинишной головки. Наличие в этой системе пружин значительно (в 4-6 раз) замед­ляет исправление отклонения от круглости. Современные су­перфинишные станки оснащены гидравлической системой при­жима бруска с обратным клапаном [8].

При бесцентровом суперфинишировании роликов подшипни­ков достигается уменьшение овальности от 0,8-1,2 мкм до 0,2­0,6 мкм и отклонения от круглости от 1,2-2,5 мкм до 0,4—1,0 мкм за один проход. При последующих проходах исправление некругло — сти значительно замедляется. При наличии достаточного припуска отклонение от круглости после суперфиниширования составляет 0,3-0,07 мкм (рис. 1.2). Бесцентровое суперфиниширование спо­собствует резкому уменьшению разноразмерности обрабатывае­мых заготовок. Так, исходная разноразмерность роликов, равная 7-10 мкм, уменьшается после одного прохода до 2-4 мкм, а после двух-трех проходов — до 1-2 мкм.

Точность формы заготовки в продольном сечении зависит от соотношения длины бруска и обрабатываемой поверхности, а также от величины перебега бруска. При обработке с продоль­ной подачей величина перебега должна составлять 0,33­0,25 длины бруска. В этом случае отклонения от прямолинейно­сти не превышают 1,0-1,5 мкм.

За последнее время разработаны новые способы размерно­го суперфиниширования с жестким прижимом брусков (одно­сторонним и в обхват) подобно тому, как происходит при хо­нинговании. Такое суперфиниширование позволяет во многом уменьшать отклонения от правильной геометрической формы обрабатываемых поверхностей.

ИИНІН#ИІІІННІ+1	увелич.	фильтр.

погреши.

увелич.: j фильтр.

погреши.

Рис. 1.2. Круглограммы детали: а — после шлифования;
б — после суперфиниширования

Кроме перечисленных выше преимуществ процесс супер­финиширования обладает еще рядом достоинств, обусловли­вающих целесообразность его применения [6]:

1) простота предварительной обработки заготовок (при подготовке под суперфиниширование не требуется тонкое шли­фование);

2) высокая производительность, в особенности при бесцен­тровой обработке с продольной подачей;

3) возможность обнаружения шлифовальных дефектов (от­дельных грубых рисок, вырывов и следов шлифовальных виб­раций);

4) возможность обработки поверхностей любой геометрии;

5) простота применяемого оборудования, низкая квалифи­кация рабочих;

6) обеспечение работы станка по автоматическому циклу с автоматической загрузкой заготовок и активным контролем их размеров в процессе обработки;

7) возможность использования как в мелкосерийном, так и в массовом производстве любой отрасли промышленности.