Основы шлифования

Рост производительности и эффективности современного производства неуклонно требует увеличения скорости механической обработки. Считается, что шлифование не является высокоскоростным методом, в следствии чего ведется поиск альтернативы абразивному инструменту. Повышение скорости мех. обработки связывается с увеличением скорости подачи инструмента, использованием сухой обработки и износостойких инструментов с покрытием из твердых материалов.
Следует заметить, что "абразив" и "высокоскоростная обработка" не являются чуждыми друг-другу понятиями. Абразивный круг обычно работает с периферийной скоростью 30 м/сек. Высокоскоростные шлифовальные круги из суперабразивов используются в промышленных операциях при скоростях от 75 до 200 м/сек. В лабораторных испытаниях с использованием специальной оснастки круги развивают скорость свыше 300 м/сек, приближаясь к скорости звука.
Шлифование с использованием суперабразивов соперничает с такими операциями, как : фрезерование, протягивание, калевание и в некоторых случаях, с токарной обработкой деталей высокой закалки.
Широко внедряемые в промышленности современные материалы : керамика, армированные металлы и полимеры, многослойные металлы с неметаллическим ламинированием зачастую могут быть обработаны только при помощи шлифования.
Шлифовальный круг, представляющий собой абразивное зерно в соответствующей связке способен самозатачиваться в процессе обработки. При засаливании или затуплении абразивный круг может быть заточен или оправлен непосредственно в станке, чего не может себе позволить любой другой инструмент.
Шлифование обеспечивает допуск при обработке поверхностей до сотых долей миллиметра, высокую чистоту обработки и высокую степень ровности.

       Развитие абразивной промышленности и улучшение процессов шлифования связаны с появлением новых абразивных материалов.

Типы абразивных материалов
       Абразивы делятся на две основные группы : обычные абразивы и суперабразивы.
Обычные абразивы - это, в основном, материалы из оксида алюминия и карбида кремния, подробно представленные в статье "Абразивные материалы".
Суперабразивы включают природные и синтетические алмазы и кубический нитрид бора. В сравнении с обычными суперабразивы являются более дорогими, но и более твердыми и износостойкими материалами. Важным отличием суперабразивов является их исключительная теплопроводность (в шесть раз теплопроводнее меди), в то время как обычные абразивы, являясь разновидностью керамики, изолируют и совершенно не проводят тепло.
Суперабразивы обладают высокой способностью рассеивания, что позволяет им очень быстро поглощать тепло. Процесс обработки суперабразивами можно назвать - "холодное шлифование".
Будучи во много раз тверже и выносливее обычных абразивов, суперабразивы, тем не менее, не могут быть использованы во всех без исключения операциях. Каждый из типов материалов занимает свою нишу в механической обработке.

       Абразивы из оксида алюминия делятся на спекаемый (обычный) и керамический оксид алюминия. Керамический оксид алюминия получают методом распыления расплава глинозема и иногда поэтому называют его "гранулированным".
Спекаемый оксид алюминия - самый распространенный и недорогой абразив, используемый при шлифовании как мягких, так и твердых материалов, с малым или большим объемом удаляемого материала, при грубой и чистовой обработке. Хорошо используется для шлифования закаленных сталей и суперсплавов на основе никеля.
Керамический оксид алюминия лучше используется в операциях, когда нагрузка на каждое зерно в "пятне контакта" очень велика. Наиболее подходит для цилиндрического шлифования больших поверхностей. Не годится для операций с большой величиной длины дуги контакта и малой нагрузкой на зерно, например для внутреннего и плоского шлифования. Однако, модифицированный керамический оксид алюминия вполне подходит для шлифования вязкой нержавеющей стали и высокотемпературных сплавов, так же при большой длине дуги контакта. (Модифицированный оксид алюминия, полученный методом экструзии имеет отношение длины к ширине зерна равное 5.)

       Абразивы из карбида кремния - это чрезвычайно острые зерна, имеющие агрессивную форму. Лучше всего подходят для шлифования вольфрамовых твердосплавных материалов, керамики. Благодаря остроте используется для обработки мягких и волокнистых материалов, таких как медь, бронза, алюминий, пластик, дерево и т.д.

       Абразивы из природных и синтетических алмазов не пригодны для шлифования сталей, но более подходят для обработки цветных металлов и, частично, изделий из керамики.

       Кубический нитрид бора (далее - нитрид бора), как и алмазы, является дорогим материалом, в 50 раз превышающий стоимость обычных абразивов, но при этом, обладая большей выносливостью, способен обработать в 100 раз больше деталей. Инструмент из нитрида бора обрабатывает твердые стали с наименьшим износом. Идеально подходит для обработки твердых и закаленных сталей, например для внутреннего шлифования канавок подшипников. Сохраняет свою форму и редко требует правки, которая является дорогостоящей процедурой. Нитрид бора реагирует с водой, поэтому для охлаждения лучше использовать жидкости на основе гликоля или синтетическое масло.

Связка
       Типы связок для обычных абразивов подробно рассмотрены в статье "Типы связок", включающие керамическую, стекловидную, смолянистую и эластичные связки на основе полимеров.
Инструмент из суперабразивов производится на спекаемых металлических связках и путем нанесения абразивного покрытия на корпус круга поверх никелевой подложки. Для сокращения первый вариант можно назвать металлической связкой, второй - покрытием. При использовании обоих типов связок следует проявлять осторожность в выборе охлаждающей жидкости во изибежани гидропланирования. Избыточное гидродинамическое давление в пятне контакта может поднимать абразивной круг над обрабатываемой поверхностью, что приводит к снижению качества обработки и преждевременному износу круга.

       Выбор связки всегда зависит от каждого конкретного случая. Круги из нитрида бора отличаются высокой стойкостью, сохраняют свою форму и бессменно могут простоять в станке до полного износа. Учитывая способность нитрида бора хорошо проводить тепло, выбор металлической связки окажется наиболее верным. Подобное сочетание позволяет обеспечить холодное шлифование - отвод потоков тепла от обрабатываемой детали шлифовальным зерном и поверхностью круга и охлаждение инструмента жидкостью.

       Установка абразивного инструмента в станок. Суперабразивы как на металлической связке, так и с покрытием критичны к биению шпинделя привода. Люфт шпинделя должен быть минимальным, не более 0,01 мм. Наименьшее биение особенно важно для металлической связки. Так как зерно выступает над связкой, повышенное биение, более 0,02 мм. может привести к неравномерному износу круга.
Суперабразивы не выносят вибрации, биения, ошибок при выборе и подаче охлаждающей жидкости.

       Обычные абразивы на различных типах связки менее критичны к разбалансировке станка. Особенно круги на упругих смолянистых и эластичных связках, способных поглощать вибрацию.
Среди обычных абразивов наиболее популярны круги на керамической связке. Пористая керамическая связка хорошо доставляет охлаждающую жидкость в место контакта круга с обрабатываемой деталью.

Подготовка круга к работе. Правка
       Большинство операций требуют подготовки круга перед началом работы - правки.
Правка - это обтачивание круга по периферии более твердым абразивом. Обычные абразивы обтачиваются (правятся) алмазными карандашами. Суперабразивы правятся электроразрядным методом.
Правка кругов производится при рабочей скорости. Перед началом обточки следует дать кругу 1-2 мин. свободно вращаться для прогрева приводного механизма, т.к. биение холодных и прогретых подшипников разное.
Во время правки стачивается небольшой слой с периферии абразивного круга.
С помощью правки, во первых, устраняется возможное смещение круга относительно шпинделя, круг центруется, балансируется и принимает идеальную форму применительно к приводу, на котором он установлен. Можно сказать, что инструмент "притирается" к станку. Поэтому не рекомендуется переставлять рабочий круг на другой станок, т.к. это потребует дополнительной правки. Обычно круг остается на своем месте до полного износа.
Во вторых, с помощью обточки придают кругу необходимую форму (профилирование) для шлифования профильных изделий.
В третьих, добиваются начальной шероховатости рабочей стороны круга в соответствии с требуемой чистотой шлифования.
Качество обработки абразивного круга задается глубиной врезки и скоростью траверса правящего инструмента (движения поперечного радиусу круга). Обточка абразивного круга, похожая на токарную обработку резцом, производится в несколько этапов. Вначале алмазный карандаш врезается глубоко в тело круга и перемещается быстро, снимая большой слой абразива для его подгонки к приводу. Далее, в 5-6 проходов с постепенным уменьшением глубины вреза и скорости траверса придается необходимая шероховатость.
Правка называется так же оформлением круга или заточкой. С помощью правки круг делается острее, - алмаз снимая заданный слой скалывает шлифовальное зерно, раскрывая новые режущие вершины. Круг подвергается правке по мере засаливания и затупления абразивных зерен. Засаливание - это забивание пор круга стружкой, мелкими частицами, грязью. Обработка восстанавливает режущую способность абразива.

Пятно контакта
       Пятно контакта - это место соприкосновения круга с обрабатываемой поверхностью. При плоском шлифовании периферией круга пятно имеет форму прямоугольника, площадь которого рассчитывается умножением длины дуги контакта на высоту (толщину) круга. На рисунке 1 дуга контакта заключена между точками B и C. На примере рассчитаем ее длину.

Коэффициент шлифования
       Коэффициент шлифования (КШ) - это характеристика производительности абразивного круга.
КШ расчитывается из отношения массы снятого материала с обрабатываемой детали к использованной (сточенной) массе круга. Чем больше коэффициент шлифования, тем выше производительность круга.

Охлаждающая жидкость (ОЖ)
       В машинной абразивной обработке деталей применяется охлаждение жидкостью. Жидкость подается в место взаимодействия круга с деталью (пятно контакта). Подача жидкости решает следующие задачи :

       1. Охлаждение детали, исключение прижогов и перегрева в месте обработки
       2. Охлаждение инструмента
       3. Смазывание места обработки
       4. Удаление стружки и грязи с обрабатываемой поверхности.

Охлаждение жидкостью играет важную роль при высокоскоростной обработке, при высоких нагрузках, при снятии больших объемов материала с большой площадью контакта, при чистовом шлифовании и суперфинише.
Применяются следующие типы ОЖ : вода, чистое масло, синтетческие и полусинтетические жидкости на водной основе, жидкости на гликолевой основе. Полусинтетические ОЖ лучше проявляют себя при формировании сложных профилей и при операциях, требующих больший смазывающий эффект во избежании прижогов. Масло используется при шлифовании сложных форм если требуется высокая чистота обработки при малой длине дуги контакта. ОЖ на гликолевой основе идеально подходят при шлифовании инструментом из нитрида бора.

       Жидкость как правило циркулирует. Необходимо поддерживать ее состояние, соблюдая следующие параметры : концентрацию, электрическую проводимость и уровень pH, биологическую стабильность, чистоту (фильтруемость).
Концентрация ОЖ может составлять от 4 до 12% (соответственно 96-88% - вода). Выбор концентрации охлаждающей жидкости влияет на производительность абразивного инструмента. Причем, вопреки расхожему мнению, коэффициент шлифования не имеет линейной зависимости от концентрации ОЖ. Как было проверено на испытаниях различных видов жидкостей, инструмент демонстрирует высокую производительность при концентрации 5 и 10%, при 7-8% его производительность снижается.
Уровень pH ОЖ должен составлять 8,7-9,2. Снижение уровня pH может указывать так же на нарушение биологической стабильности и развитие бактерий, приводящее к порче жидкости.
Чистота или фильтруемость показывают на остаточную загрязненность жидкости после фильтрации. Жидкость, совершая свой оборот, уносит с рабочего места стружку, частицы абразивного инструмента, грязь и прочие включения, фильтруется и вновь поступает в рабочую зону. Для обеспечения высокого качества обработки системы управления ОЖ должны обеспечивать высокую степень очистки жидкости и поддержание ее параметров на требуемом уровне.

ОЖ должна подаваться в рабочую зону так, что бы обеспечивать покрытие всей площади контакта со скоростью адекватной скорости вращения круга. На примере рассмотрим размеры сопла (Рис. 2), требуемые для надлежащего снабжения жидкостью зоны шлифования. Для равномерного покрытия зоны контакта ширина сопла должна равняться толщине (высоте) круга. Расчитаем высоту сопла H.