Абразивная доводка торцовых уплотнений

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.