ТЕХНОЛОГИЯ СУПЕРФИНИШИРОВАНИЯ

2.1. Разновидности бесцентрового суперфиниширования

Суперфиниширование можно классифицировать по сле­дующим основным признакам:

1) по виду базирования заготовок — центровое и бесцен­тровое;

2) виду подачи — с поперечной подачей (врезанием) и про­дольной подачей(напроход);

3) форме обрабатываемой поверхности — обработка цилинд­рических, конических, бомбинированных, тороидальных и торце­вых поверхностей.

Как правило, во всех случаях заготовка вращается, а брусок совершает колебательное движение. При обработке в центрах длинных заготовок имеется дополнительная продольная подача головки с бруском, а при бесцентровой обработке гладких заго­товок напроход — продольная подача заготовок. Суперфиниши­рование коротких участков поверхностей на деталях, имеющих ступени, буртики, производят методом врезания, когда длина бруска равна длине обрабатываемой поверхности либо меньше последней на величину амплитуды колебаний. При суперфини­шировании торцевых поверхностей в качестве инструмента ча­ще используют не брусок, а круг чашечной формы, вращаю­щийся и имеющий колебательное или планетарное движение.

Бесцентровая обработка напроход по сравнению с обработ­кой в центрах имеет следующие основные преимущества:

• высокую производительность процесса за счет примене­ния больших скоростей подач и сокращения времени загрузки и выгрузки заготовок;

• возможность обработки заготовок малого диаметра и большой длины.

При бесцентровой обработке напроход вращение заготовки и ее продольное перемещение осуществляет валковая система, включающая два валка, вращающиеся в одном направлении (рис. 2.1). Заготовки последовательно проходят под осцилли­рующими шлифовальными брусками. Первые бруски имеют крупную зернистость, последующие — более мелкую. Усилия прижима брусков также неодинаковы. В связи с этим первые бруски производят основной съем металла, исправление откло­нения от круглости и волнистости, а последующие обеспечива­ют получение требуемой шероховатости поверхности.

Рис. 2.1. Схемы бесцентрового суперфиниширования напроход

Продольное перемещение заготовки на валках происходит за счет осевой составляющей силы трения, возникающей при развороте одного или обоих валков на некоторый угол относи­тельно оси детали. Необходимую силу трения получают путем подбора угла контакта ф между валками и заготовкой (рис. 2.2). Угол контакта ф выбирают таким образом, чтобы не было за­клинивания заготовки на валках, а возникающая сила трения была достаточна для вращения заготовки. Обычно угол ф зада­ют в пределах 15-20° и регулируют изменением межосевого расстояния валков. Согласно экспериментально полученным данным, при ф < 15° происходит заклинивание заготовки между валками, а при ф > 20° заготовка проскальзывает на валках.

Рис. 2.2. Схема продольной подачи при суперфинишировании напроход

Продольная подача заготовки определяется окружной ско­ростью валков и углом их скрещивания. Из схемы продольной подачи (см. рис. 2.2) видно, что окружную скорость заготовки приближенно можно определить по формуле

Vo = VBkcosA,,

а скорость продольной подачи — по формуле

Vn = VoksinA,,

где VB — окружная скорость валков, м/с; к — коэффициент про­скальзывания.

Наибольший угол скрещивания валков обычно составляет 3°, при этом окружная скорость заготовки приблизительно рав­на окружной скорости ведущего валка:

ndn3 nDnB

Vo = V, ^ В,

О В 1000 1000

где D — диаметр валка, мм; d — диаметр заготовки, мм; пЗ — час­тота вращения заготовки, мин-1; пВ — частота вращения вал­ка, мин-1.

Скорость продольной подачи заготовок устанавливают пу­тем изменения частоты вращения или угла скрещивания осей валков.

При обработке конических роликов напроход валки уста­навливают параллельно направлению осцилляции брусков (рис. 2.1, б). Поверхность валков имеет винтовую канавку, что обеспечивает параллельность образующих конических поверх­ностей роликов относительно направления осцилляции брусков. Шаг винтовой канавки валка выполняют равным длине ролика и величине перемычки. При этом необходимо иметь в виду, что при продольной подаче в процессе суперфиниширования боль­ший диаметр ролика проходит под брусками, приработанными по усредненному диаметру, что приводит к неравномерному съему припуска с конической поверхности — завалу большего диаметра заготовки.

При суперфинишировании бомбинированной поверхности ци­линдрических роликов траектория движения оси ролика представ­ляет собой дугу окружности радиуса R, концентричную бомбине. При относительно небольших радиусах R = 500… 1000 мм валок имеет несколько волн (рис. 2.1, г), при больших радиусах R — одну волну (рис. 2.1, в).

Способ бесцентрового суперфиниширования врезанием предназначен для обработки цилиндрических деталей с буртами (клапанов, золотников, толкателей, крестовин и др.), цилиндри­ческих (рис. 2.3, б) и конических (рис. 2.3, в) роликов с бомби — нированной поверхностью. В отличие от способа обработки на- проход заготовки обрабатывают в одной позиции одним бру­ском, но с двумя различными окружными скоростями. Первона­чально заготовку вращают с низкой окружной скоростью (чер­новой режим), а затем через определенное время окружную ско­рость автоматически повышают в 4-6 раз (чистовой режим). Продолжительность каждого режима зависит от величины сни­маемого припуска и требуемой шероховатости поверхности. В большинстве случаев кроме осциллирующего движения абра­зивного бруска имеет место его медленное продольное переме­щение (подача) вдоль обрабатываемой поверхности.

При бесцентровом суперфинишировании методом врезания обработку производят либо на одной позиции, либо на несколь­ких позициях с периодической перекладкой заготовок специ­альным устройством. При этом в моменты загрузки, перекладки и выгрузки заготовок бруски отводят от обрабатываемой по­верхности. Таким образом обрабатывают детали сложной кон­фигурации, имеющие уступы, буртики и т. д.

Рис. 2.3. Схемы бесцентрового суперфиниширования врезанием

Известны электрохимический и ультразвуковой методы су­перфиниширования [12, 24]. Электрохимический метод супер­финиширования относят к процессам электрохимической раз­мерной обработки, основанной на свойстве атомов металла пе­реходить в раствор под действием анодно-поляризующего элек­трического тока.

Схема электрохимического суперфиниширования представ­лена на рис. 2.4, а. К вращающейся заготовке 2 (аноду) с помо­щью подпружиненных графитовых щеток, которые устанавли­вают на необрабатываемой части поверхности, подводят поло­жительный полюс источника тока. Инструмент 3 (катод) соеди­няют с отрицательным полюсом. Во время обработки в рабочую зону через отверстия в катоде непрерывно подают электролит. Зазор между заготовкой и катодом составляет 0,1-0,5 мм. Окон­чательную обработку для получения требуемой шероховатости поверхности производят при выключенном токе. Положитель­ным свойством электрохимического способа суперфиниширо­вания является независимость процесса от твердости и вязкости обрабатываемого материала.

Способ ультразвукового суперфиниширования (рис. 2.4, б) за­ключается в том, что шлифовальному бруску, кроме осциллирую­щего движения, сообщают дополнительные колебания с частотой 20-25 кГц и амплитудой 5-15 мкм. Конструктивно это достигается введением в суперфинишный станок ультразвукового преобразо­вателя с жестким креплением к инструменту. Ультразвуковая го­ловка состоит из концентратора 3, на торце которого закреплена державка с бруском 2, и магнитострикционного преобразователя 5. Ультразвуковая головка с помощью кронштейна крепится к су­перфинишной головке 7 станка. Питание преобразователя осуще­ствляют от ультразвукового генератора 4.

Ультразвуковые колебания придают бруску дополнитель­ные режущие свойства, так как абразивные зерна не только вы­крашиваются, но и активно раскалываются, образуя дополни­тельные режущие кромки. Кроме того, ультразвуковые колеба­ния предохраняют брусок от засаливания, что во многом осно­вано на эффекте кавитации СОЖ. При ультразвуковом супер­финишировании обеспечивается увеличенный съем металла, однако шероховатость обработанной поверхности несколько выше. Поэтому окончательную обработку ведут без ультразву­ковых колебаний. Ультразвуковое суперфиниширование целе­
сообразно применять при обработке вязких материалов (корро­зионно-стойкие стали, титановые, жаропрочные сплавы).

В последние годы принято различать суперфиниширование и микрофиниширование [8, 10]. Не отличаясь по кинематике, эти разновидности процесса предусматривают применение различных по жесткости устройств, несущих шлифовальные бруски.

При суперфинишировании (рис. 2.5, а) применяют схему си­лового замыкания контакта, прижим бруска к детали упругий и конструктивно осуществлен пружиной, пневмоцилиндром или гидроцилиндром через пружину. Особенностью суперфиниширо­вания является ограниченный съем металла, как правило, не пре­вышающий 5-10 мкм. Величину нормальной нагрузки между бру­ском и деталью поддерживают постоянной и независимой от ис­ходных погрешностей формы обрабатываемой поверхности.

Рис. 2.5. Схемы суперфиниширования (а) и микрофиниширования (б): 1 — брусок; 2 — державка; 3 — деталь; 4 — пружина; 5 — клин

При суперфинишировании вследствие малых радиальных давлений обычно используют одностороннее расположение ин­струмента, что значительно упрощает конструкцию головки и облегчает установку обрабатываемой детали на станке. Однако при одностороннем расположении брусков под действием силы резания происходят упругие отжатия, в результате чего копи­руются исходные погрешности геометрической формы заготов­ки. Из-за инерционности суперфинишной головки она не успе­вает полностью копировать форму заготовки и вносит неболь­шое исправление, которое зависит в основном от радиальных давлений брусков и жесткости технологической системы.

При микрофинишировании (рис. 2.5, б) брусок прижимают к детали непосредственно гидроцилиндром или через промежу­точные жесткие звенья, например клинорычажный механизм. При этом достигают съема металла до 30-50 мкм на диаметр. С учетом свойства сжимаемости воздуха во многих микрофи­нишных станках применен непосредственный пневмоприжим брусков без пружины. На станках фирмы Telenhaus постоянный прижим брусков обеспечивают клапаном давления.

В большинстве современных суперфинишных станков реа­лизована схема прижима с противодавлением, сущность кото­рой заключается в изменении давления в зависимости от съема металла. Примером может служить инструментальная головка суперфинишного станка 3Д871Б [24], приведенная на рис. 2.6. Она представляет собой гидравлический цилиндр 9, на штоке 8 которого закреплена державка 12 с бруском. Шток 8 и поршень 7 выполнены раздельно, что обеспечивает свободное перемеще­ние штока и не требует соблюдения строгой соосности между цилиндром 9 и крышкой 10. Положение бруска фиксируют ром­бовидным пальцем 11. Инструментальную головку крепят двумя винтами и планкой 6 на каретке механизма осциллирования станка.

В штоковую полость цилиндра через отверстие 5 постоянно подводят масло, создающее усилие противодавления и удержи­вающее брусок в верхнем положении. При подаче масла в от­верстие 3 золотник 2 поднимается в верхнее положение, откры­вается (опускается) обратный клапан 4 и через отверстия, рас­положенные на его конусе, масло поступает на торец поршня 7, прижимая брусок к детали. Давление в бесштоковой полости постоянно, благодаря чему брусок всегда прижат к детали, про­изводя равномерный съем припуска.

Рис. 2.6. Инструментальная головка суперфинишного станка 3Д871Б

При обработке детали, имеющей погрешности формы в по­перечном сечении, брусок будет отжиматься вверх. При этом обратный клапан 4 закрывается, давление на брусок, а следова­тельно, и на деталь увеличивается. Таким образом увеличивает­ся съем металла и происходит исправление геометрии детали. Для того чтобы поднять брусок вверх, необходимо перекрыть отверстие 3, а масло подавать через отверстие 1. Золотник 2 при этом опускается вниз, нажимает на обратный клапан 4 и откры­вает его. Этим обеспечивается слив масла из бесштоковой по­лости в отверстие 3. Поршень 7 под действием противодавления поднимается вверх и одновременно поднимает брусок.