CC BY
41
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.914.7
Абразивная доводка торцовых уплотнений
А. М. Ханов, К. Р. Муратов, Е. А. Гашев
Представлен растровый метод абразивной обработки прецизионных плоских поверхностей деталей, описан плоскодоводочный станок с растровой кинематикой движения инструмента. Сформулированы общие конструкторско-технологические рекомендации, которые необходимо соблюдать при разработке приспособлений для доводки на станках с растровой кинематикой инструмента. Для деталей из хрупкого композиционного материала на основе графита спроектировано и изготовлено универсальное многоместное приспособление, компенсирующие разновысотность обрабатываемых деталей, обеспечивающие самоустанавливаемость их на поверхности инструмента и равномерное размещение детали по поверхности притира. Проведены экспериментальное опробование процесса обработки на станке с растровой кинематикой рабочего движения инструмента и комплексные исследования прецизионной обработки высокоточных деталей, изготовленных из композиционных материалов на основе силициро-ванного графита ГАКК 55/40. Требования к рабочим плоскостям деталей: Яа не более 0,1 мкм, отклонение от плоскостности не более 0,6 мкм.
Ключевые слова: растровый метод обработки, точность геометрической формы, шероховатость поверхности, силицированный графит, «Растр-220».
Введение
Наиболее распространенным в производстве процессом окончательной обработки прецизионных поверхностей является доводка абразивным зерном. Особенность этого процесса состоит в том, что абразивные зерна (а точнее, смесь зерен с компонентами пасты или смазочно-охлаждающей жидкости) под воздействием притира снимают металл. Притир не только сообщает зернам необходимые движения и усилия, но и обеспечивает требуемую точность обработки поверхности.
К числу общих признаков, характеризующих абразивную доводку, относятся:
1) одновременное воздействие на поверхность детали большого числа режущих зерен, происходящее при относительно низких скоростях и давлениях;
2) движение режущих зерен по сложным траекториям;
3) незначительная роль тепловых явлений и отсутствие связанных с ними структурных изменений в поверхностном слое металла.
В нефтяной и химической промышленности широко используются плоские торцовые уплотнения, рабочие поверхности которых изготовлены из композиционных материалов, отличающихся высокой твердостью и износостойкостью, таких как силицированный графит, твердый сплав (вольфрамокобальтовый сплав) и др. Требования к рабочим плоскостям деталей высокие: шероховатость по параметру Яа не более 0,1 мкм, отклонение от плоскостности 0,6-0,9 мкм. Зачастую окончательным (финишным) методом обработки точных поверхностей деталей является абразивная доводка. Иногда такая обработка единственно возможная, особенно при доводке деталей из твердых композиционных материалов, керамики, твердого сплава, стекла, рубинов и др.
[1-3].
Одним из направлений повышения эффективности абразивной обработки является усложнение траектории относительного движения инструмента и детали. Установлено, что сложное рабочее движение способствует повышению качества и производительности
обработки, так как создает благоприятные условия для более полного использования режущей способности и равномерного износа инструмента. В связи с этим представляет интерес растровый способ абразивной обработки, получивший применение при доводке плоскостей и хонинговании цилиндрических внутренних поверхностей [4-6].
Цель работы — экспериментальное исследование доводки колец из композиционного материала на станке с растровой траекторией движения инструмента и установление рациональных условий обработки, обеспечивающих минимальное время обработки, требуемую шероховатость и плоскостность доведенной поверхности.
Материалы и методы исследования
В качестве оборудования был использован плоскодоводочный станок «Растр-220» [7] (рис. 1). Станок предназначен для финишной обработки разнообразных машиностроительных деталей, имеющих прецизионные плоские поверхности. Станок настольного исполнения «Растр-220» состоит из блока привода,
Рис. 1. Плоскодоводочный станок «Растр-220»: 1 — блок привода; 2 — притир; 3 — нажимное устройство; 4 -пульт управления; 5 — частотный преобразователь
нажимного устройства, пульта управления с частотным преобразователем. Блок привода 1 содержит электродвигатель, трансмиссии, понижающие скорость вращения, механизм, преобразующий вращение в колебательное движение притира, и устройство для управления его траекторией. Нажимное устройство 3 служит для прижима обрабатываемых деталей к притиру 2 с регулируемым усилием и сообщения деталям дополнительного движения относительно притира за счет силы абразивного трения. Станок снабжен пультом управления 4, в котором размещена электросхема, позволяющая работать в полуавтоматическом режиме, и частотным преобразователем 5, позволяющим бесступенчато регулировать частоту колебаний притира в диапазоне 50-360 мин-1, а также программировать время разгона, торможения и закон изменения частоты колебаний.
Для правильной ориентации и равномерного размещения обрабатываемых деталей на притире и создания равномерного контактного давления при доводке проектируются и применяются специальные приспособления (кассеты). Конструкцию кассеты выбирают в зависимости от формы и размеров деталей, требований, предъявляемых к ним, числа одновременно обрабатываемых деталей. Проектирование оснастки осложнено требованиями, предъявляемыми к точности относительного (взаимного) расположения рабочих поверхностей детали. Эти требования влияют на конструкцию кассеты и способ базирования.
Процесс доводки опробован при различных типоразмерах колец из силицированного графита ГАКК 55/40 (рис. 2 и 3).
Основная часть экспериментов проводилась на притирах (инструмент) из перлитного чугуна СЧ-28 (160-180 НВ) с применением абразиво-алмазных паст и микропорошков. На окончательных переходах опробованы также доводочные плоские круги формы 6А2Т (ГОСТ 17007-80), диаметром 200 мм, из синтетического алмаза и кубического нитрида бора (КНБ) на металлической связке со следующими характеристиками: АСМ 20/14 М2-01 4, КМ 40/28 М5-22 50 и КМ 28/20 М5-22 2 [8].
В процессе экспериментов по доводке колец опробована широкая номенклатура абразивного материала, различающаяся видом абразива
' Яа 6,3 Ы)
%
12
■ОАЗ
г
с
И а 0,2
2,5
О 0,0009
о, о и
Рис. 2. Невращающаяся втул ка
Ра 6,3 Ы)
нению профиля Яа, мкм [10]. Измерение проводили на профилометре 170623 (тип II, степень точности 2, по ГОСТ 19300-86, изготовитель ОАО «Калибр»). Перед измерениями прибор проверяли по эталонам шероховатости.
Результаты исследования
Для доводки колец из силицированного графита разработано и изготовлено многоместное приспособление, способное одновременно обрабатывать три детали. Приспособление (рис. 4) состоит из сменных вкладышей 2, 3, крышек 4 и водила 1 с тремя сферическими упорами 5 или 6. Обрабатываемые детали с соответствующими вкладышами и крышками устанавливают на рабочую поверхность притира. Сверху накладывают водилоЧ так, чтобыупоры5и (лсосты-ковались сконическими отверстиями смотает-ствующих крышек и вкладышей. Необходимое рабочее давление обрабатываемых деталей на
А-А
-ЛА
Рис.3. Вращающався втулаа
и зернивтостью[Д].Опробованыаледующие ви-ды абразива: электрокорунд белый 24А, карбид кремниязеленый63С и64С, кубический нитрид бора ЛМ, синтетический алмаз АСМ-АСН. Диапазоны зернистости абразива 40/28, 14/10, 7/5, 5/3.
Шероховатость обработанной поверхности оценивали по среднеарифметическому откло-
Оис. 4. МтееьмпстноепртспотоСлениедоидосод-ки деталей
МЕШПООБМБОТК|»
Таблица 1
Производительность съема и шероховатость обработанной поверхности при различных видах абразивного материала
Абразив Кольцо № 1 и № 2 Кольцо № 3
фср, мкм/мин Ra ср> мкм фср, мкм/мин Ra ср> мкм
Электрокорунд белый 14/10 2 1,22 1,7 0,3
Карбид кремния зеленый 14/10 3,4 1,34 3 0,21
Алмаз синтетический 14/10 15 0,22 17 0,15
Кубический нитрид бора ЛМ 14/10 14,8 0,27 14 0,14
притир создается нажимным устройством станка путем стыковки сферического упора и поводка, установленных на призме устройства с центральным отверстием и пазом водила 1.
Такая конструкция приспособления позволяет компенсировать разновысотность обрабатываемых деталей и самоустанавливаться им на поверхности притира, что обеспечивает равномерное распределение давления на каждое кольцо. Кроме того, возможность радиального перемещения упоров 5 и 6 в пазах водила 1 позволяет равномерно размещать детали по поверхности притира. Это обеспечивает равномерный износ притира, повышает и стабилизирует плоскостность доведенных поверхностей. Приспособление позволяет вести доводку как однотипных, так и различных по конструкции и размерам деталей.
В экспериментах опробованы разные виды абразивных материалов, в сравнительных опытах использовали микропорошки одной зернистости — 14/10 мк. Доводку осуществляли в многоместном приспособлении, одновременно обрабатывали три детали. Опыты проводили на базовых режимах при удельном давлении 30 кПа. Время доводки трех деталей 2 мин. Каждый опыт повторяли 6-9 раз. Результаты экспериментов представлены в табл. 1.
Сравнительные эксперименты показали, что обычные абразивные материалы — электрокорунд белый (24А) и карбид кремния зеленый (63С и 64С) — не пригодны для доводки колец из материала ГАКК 55/40 ввиду весьма малой производительности съема и высокой шероховатости обработанной поверхности. Это объясняется тем, что ГАКК 55/40 содержит более 40 % твердой фазы из карбида кремния, твердость которого соизмерима с твердостью 63С или 64С и превосходит твердость электрокорунда белого 24А. Поэтому в процессе доводки удаляется лишь графит,
обнажаются и слегка притупляются зерна карбида кремния в материале деталей. Удовлетворительные и одинаковые результаты как по производительности съема Яср, мкм/мин, так и по шероховатости Ra ср обработанной поверхности получены при доводке этих же деталей порошками из синтетического алмаза и АСМ 14/10 и кубического нитрида бора ЛМ 14/10. Поэтому все дальнейшие эксперименты проводили с использованием стандартных паст из синтетического алмаза АСМ и кубического нитрида бора ЛМ.
Из основных режимов доводки силициро-ванного графита экспериментально определяли удельное давление деталей на притир и время обработки. Эксперименты проводили при доводке деталей типа «кольцо» и «втулка». Удельное давление изменялось в диапазоне 30-80 кПа. Доводку осуществляли алмазной и эльборовой пастами зернистостью 40/28 мкм. Время обработки одной закладки 2 мин. Результаты представлены в табл. 2.
При увеличении удельного давления почти в 3 раза производительность съема возрастает лишь на 25-30 % (табл. 2). Шероховатость обработанной поверхности по параметру Ra не изменяется. Однако уже при давлении 50 кПа визуально наблюдается неоднородность обработанной поверхности, а при давлении 80 кПа поверхность становится пятнистой с металли-
Таблица 2
Влияние удельного давления на производительность съема и шероховатость обработанной поверхности
Р, кПа Паста АСМ 40/28 Паста ЛМ 40/28
«ср, мкм/мин R, -ria ср» мкм «ср, мкм/мин R, na ср» мкм
30 12 0,7 25 0,76
50 15,3 0,65 28,6 0,8
80 16,9 0,7 32 0,8
ЕТАПЛООБРАБОТК]
ческими «блестками», появляются сколы на кромках поверхностей. Это объясняется ухудшением доступа абразивной смеси в рабочую зону, что приводит к периодическому локальному контакту притира с обрабатываемой поверхностью. Кроме того, чрезмерное увеличение давления вызывает деформацию детали и ухудшает плоскостность обработанной поверхности. Поэтому экспериментально было определено оптимальное давление и все дальнейшие эксперименты проводились при давлении не более 30 кПа.
Время обработки чаще всего определяется опытным путем, так как зависит от большого числа факторов: материала притира и обрабатываемых деталей, материала абразива и консистенции абразивной смеси, режимов обработки и т. д. Экспериментально установлено, что при доводке в многоместном приспособлении трех и более деталей из силицированного графита ГАКК 55/40 нецелесообразно задавать время обработки одной закладки более 2 мин. Это обусловлено быстрым накоплением шлама в виде графита и продуктов микрорезания. Для съема больших припусков целесообразно вести обработку за несколько закладок с периодической сменой абразивной прослойки.
Опробована номенклатура паст, различающихся зернистостью абразива (40/28-5/3 мкм). Опыты проводили на базовых режимах, при одинаковом удельном давлении 30 кПа. Доводку осуществляли в многоместном приспособлении по три детали. Результаты экспериментов представлены в табл. 3.
С увеличением зернистости абразива производительность съема и шероховатость пропорционально возрастают. В табл. 3 представ-
Таблица 3
Влияние зернистости абразивного материала на производительность доводки и шероховатость обработанной поверхности.
Зернистость абразива, мкм Алмаз АСМ КНБ ЛМ, КМ
«ср, мкм/мин Т Пй ср> мкм «ср, мкм/мин Т, Пй ср> мкм
40/28 15 0,54 25 0,60
14/10 14 0,22 14,8 0,27
10/7 7,5 0,14 8 0,16
7/5 6 0,084 - -
5/3 3 0,078 - -
лены усредненные результаты большого числа опытов, проведенных на различных деталях (образцах). В целях обеспечения производительности процесса и требуемого качества обработанной поверхности целесообразно осуществлять доводку в два-три перехода с уменьшением зернистости абразивного материала.
Плоскостность доведенной поверхности деталей определяется главным образом погрешностями формы рабочей поверхности притира, которые, в свою очередь, зависят от степени неравномерности его износа. Поэтому, чтобы обеспечить требуемую плоскостность колец (0,0006-0,0009 мм), необходимо создать условия для равномерного изнашивания притира. При доводке в многоместном приспособлении необходимо периодически изменять положение деталей в приспособлении в радиальном направлении относительно центра водила, чтобы вся поверхность притира участвовала в работе.
При доводке на притирах диаметром 220 мм, имеющих выпуклую форму 3-5 мкм, после шлифовки и их взаимной правки неплоскостность доведенной поверхности деталей не превышает 0,5 мкм. Экспериментально установлено, что неравномерный износ притира диаметром 220 мм в виде вогнутости 0,015-0,020 мм приводит к увеличению неплоскостности обработанной поверхности более 1 мкм. При невозможности обеспечить равномерную загруженность всей поверхности притира, чаще это центральная часть, целесообразно эту часть притира занижать на 0,05-0,1 мм.
Выводы
1. Экспериментально установлена непригодность обычных абразивов — электрокорунда белого и карбида кремния зеленого — для доводки деталей из силицированного графита. Доводку деталей из данного материала следует осуществлять порошками или пастами из синтетического алмаза или кубического нитрида бора.
2. В целях обеспечения производительности процесса и требуемого качества обработанной поверхности целесообразно осуществлять доводку в два-три перехода с уменьшением зернистости абразивного материала. Определены варианты технологии предварительной и окон-
чательной доводки деталей из силицированно-го графита с применением паст из синтетического алмаза и КНБ. Предварительную доводку (первый переход) целесообразно осуществлять на чугунных притирах с применением порошков и паст из синтетического алмаза и КНБ зернистостью 40/28-20/14 мкм. Зернистость абразива выбирают в зависимости от припуска и исходной погрешности обрабатываемой поверхности. Окончательную доводку рекомендуется осуществлять алмазными пастами АСМ 7/5 или АСМ 5/3.
3. Рекомендуемые режимы резания: скорость 15 м/мин, контактное давление 20-40 кПа, относительная расстройка частот колебаний приводных шатунов 8-10 %. Максимально допустимое время доводки одной закладки деталей 2-3 мин.
Литература
1. Бабаев С. Г., Садыгов П. Г. Притирка и доводка поверхностей деталей машин. М.: Машиностроение, 1976. 128 с.
2. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М.: Металлургия, 1994. 264 с.
3. Винокуров В. М., Ардамацкий А. Л., Попов Л. В.
Структура разрушенного слоя // Сб. ст. «Формообразование оптических поверхностей» / Под ред. Г. К. Ку-манина. М., 1962.
4. Некрасов В. П. Прецизионные плоскодоводочные станки с растровым движением инструмента / / Машиностроитель. 2000. № 9. С. 12-14.
5. Nanoroughness produced by systems with raster kinematics on surfaces of constant curvature / A. M. Kha-nov, R. A. Muratov, K. R. Muratov, E. A. Gashev // Russian Engineering Research. 2010. Т. 30. N 5. P. 528-529.
6. Kinematic potential of honing machines / A. M. Kha-nov, K. R. Muratov, E. A. Gashev, R. A. Muratov // Russian Engineering Research. 2011. Т. 31. N 6. P. 607-609.
7. Некрасов В. П., Муратов Р. А. Станки с растровой кинематикой для финишной обработки поверхностей постоянной кривизны. Современные организационные технологические и конструкторские методы управления качеством // Сб. науч. тр. Пермь: Изд-во ПГТУ, 2006. С. 96-116.
8. Каталог ПАО «Полтавский алмазный инструмент». [Электронный документ]. (http://www.poltavadiamond. com.ua/ru/images/FCKfiles/File/Catalog.pdf) Проверено 05.06.2012.
9. Абразивная и алмазная обработка материалов / Под ред. А. Н. Резникова. М.: Машиностроение, 1977. 391 с.
10. Тебенкин А. Н., Тарасов С. Б., Степанов С. Н. Шероховатость, волнистость, профиль. Международный опыт/ Под ред. Н. А. Табачниковой. СПб.: СПбГПУ, 2007. 136 с.
