Способ шлифования
METHOD OF GRINDING

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано в процессах шлифования различных материалов.
Известен способ шлифования (см., например, пат. РФ 2008190, МКИ B24D 5/14, «Шлифовальный круг»), заключающийся в использовании шлифовального инструмента в виде соосно расположенных участков предварительного шлифования и размещенного между ними участка окончательного шлифования при этом контактирующие торцы участков окончательного и предварительного шлифования наклоняют под углом к оси вращения инструмента.
Недостатком способа шлифования по пат. РФ 2008190 является высокая шероховатость и низкая геометрическая точность обработанных поверхностей (значительное отклонение от плоскостности).
Известен способ шлифования (прототип) различных материалов абразивными кругами со сплошной режущей поверхностью (см., например, пат. РФ 2200083 «Сборный продольно-прерывистый шлифовальный круг»), при котором используют шлифовальный круг, состоящий по высоте из двух соосно установленных участков для предварительного шлифования и расположенного между ними участка для окончательного шлифования. Участки для предварительного шлифования имеют более высокую зернистость, но меньшую концентрацию абразивных зерен, чем участок для окончательного шлифования.
Недостатком способа шлифования по пат. 2200083 является высокая шероховатость и низкая геометрическая точность обработанных поверхностей (например, значительное отклонение от плоскостности). Известно, что геометрическая точность и шероховатость обработанной поверхности зависит от упругих перемещений элементов системы «станок-приспособление-инструмент-заготовка», при увеличении которых шероховатость и геометрическая точность снижаются. Поэтому ниже приведен анализ двух схем шлифования, на основании его результатов обоснована и выбрана схема, обеспечивающая минимальные упругие перемещения технологической системы. Выбранная схема явилась основой для разработки предлагаемого способа шлифования.
Технический эффект, который достигается предложенным способом, - снижение шероховатости и повышение геометрической точности шлифованных поверхностей.
Технический эффект достигается тем, что используют инструмент в виде двух шлифовальных кругов - крупнозернистого и мелкозернистого, первым кругом выполняют предварительную обработку и располагают его между передней опорой шпинделя и мелкозернистым кругом, а вторым - окончательную обработку, и располагают его перед крупнозернистым кругом, при этом диаметры кругов связывают уравнением:
o
пр
max
d=d+2(R+T),
o
пр
max
где d, d - соответственно диаметр шлифовального круга для окончательного и предварительного шлифования; R - максимальная высота шероховатости поверхности, обработанной кругом для предварительного шлифования; T - дефектный слой, образованный в поверхностном слое детали в результате силового и теплового воздействия на нее круга для предварительного шлифования.
Заготовку перед обработкой устанавливают за крупнозернистым кругом, первую половину цикла шлифования выполняют поперечной подачей в направлении от передней опоры (к оператору, обслуживающему станок), а между кругами для предварительного и окончательного шлифования создают зазор, определяемый неравенством:
к
δ≥d,
к
где d - диметр алмазного карандаша, используемого для правки режущих поверхностей кругов для предварительного и окончательного шлифования.
Вторую половину цикла шлифования заканчивают обработкой заготовки мелкозернистым кругом поперечной подачей в направлении к передней опоре (от оператора, обслуживающего станок) со снятием припуска, определяемого по формуле:
,
Σ
o
пр
где P - суммарная сила резания; P, P - соответственно сила резания, вызванная работой кругов для окончательного и предварительного шлифования; j - жесткость шпиндельного узла в направлении, перпендикулярном обработанной поверхности.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен инструмент, у которого круг для предварительного шлифования расположен на максимальном расстоянии от передней опоры шпинделя; на фиг. 2 - упругие перемещения оси шпинделя, возникающие при работе инструмента на фиг. 1; на фиг. 3 - инструмент, у которого круг для предварительного шлифования расположен на минимальном расстоянии от передней опоры шпинделя; на фиг. 4 - упругие перемещения оси шпинделя, возникающие при работе инструмента на фиг. 3; на фиг. 5 приведено расположение заготовки в зоне резания перед обработкой; на фиг. 6 - инструмент в начале шлифования с контактом крупнозернистого круга с заготовкой; на фиг. 7 - инструмент с одновременным контактом крупнозернистого и мелкозернистого кругов с заготовкой; на фиг. 8 - инструмент с контактом мелкозернистого круга с заготовкой; на фиг. 9 - отклонение от плоскостности, сформированное после шлифования заготовки с поперечной подачей в направлении от передней опоры шпинделя (к оператору, обслуживающему станок); на фиг. 10 - шлифование заготовки мелкозернистым кругом с подачей в направлении к передней опоре шпинделя (от оператора).
Инструмент состоит из круга 1 для предварительного шлифования (фиг. 1), у которого основная фракция абразивных зерен 2 имеет зернистость F30-F36, ГОСТ P 52381-2005, и шлифовального круга 3 для окончательного шлифования с основной фракцией зерен зернистостью F90-F120. Совмещенное шлифование (одновременно предварительное и окончательное) инструментом, изображенным на фиг. 1, назовем первой схемой шлифования.
пр
o
пр
o
Крупнозернистый шлифовальный круг 1 снимает припуск z на предварительную обработку, а мелкозернистый шлифовальный круг 3 - припуск z на окончательную обработку, и обеспечивает требуемое качество обработанного поверхностного слоя детали. Шлифовальный круг для предварительного шлифования имеет наружный диаметр d, который меньше диаметра d круга для окончательного шлифования.
Между шлифовальными кругами 1 и 3 расположена прокладка 4, которая устраняет непосредственный контакт кругов и образует зазор δ между торцами, который обеспечивает возможность расположения алмазного карандаша на требуемом расстоянии от оси вращения шпинделя 5 при правке кругов с различными диаметрами.
Таким образом, крупнозернистый шлифовальный круг 1 выполняет предварительную обработку, одновременно с ним круг 2 формирует требуемые показатели качества обработанной поверхности заготовки.
Круги 1 и 3 обрабатывают заготовку при одинаковой частоте вращения, скоростях продольной и поперечной подачи стола с заготовкой. Отличие процессов шлифования кругами 1 и 3 состоит в различной глубине снимаемого припуска и характеристике абразивного материала.
пр
o
пр
o
o
Припуск z в разы превышает припуск z, поэтому сила резания P при шлифовании крупнозернистым кругом 1 также значительно превышает силу резания P, возникающую при работе мелкозернистым кругом 3 (фиг. 2). Сила резания P, создаваемая кругом 3 для окончательного шлифования, расположена от передней опоры 6 шпинделя на расстоянии
o
где B - высота круга 3 для окончательного шлифования; f - расстояние от правого торца круга 3 до передней опоры 6 шпинделя (фиг. 1).
пр
Сила резания P, создаваемая кругом 1 для предварительного шлифования, расположена от передней опоры шпинделя на расстоянии
пр
где B - высота круга 1 для предварительного шлифования, δ - толщина прокладки 4 (фиг. 1).
Σ
o
пр
Суммарная сила резания P совпадает по направлению с силами P и P, а ее модуль
o
пр
Σ
1
Систему сосредоточенных сил P и P с известными координатами их точек приложения можно заменить эквивалентной системой, в которой действует суммарная сила резания P, приложенная в точке с координатой x=l. Условием эквивалентности двух рассмотренных систем является равенство изгибающих моментов, создаваемых сосредоточенными силами относительно начала прямоугольной системы координат xOy.
Σ
Из условия эквивалентности двух систем координата точки приложения силы P (фиг. 2) определится по формуле:
Σ
1
Максимальные упругие перемещения оси шпинделя 5 под действием суммарной силы резания P в точке ее приложения x=l равны (фиг. 2):
5
пр
где E=2,1⋅10 МПа - модуль упругости стали, из которой выполнен шпиндель 5;  - момент инерции поперечного сечения шпинделя 5, на котором установлены шлифовальные круги 1 и 3; d - приведенный диаметр консоли шпинделя, на которой установлены шлифовальные круги 1 и 3.
1
Угол поворота поперечного сечения шпинделя, расположенного на расстоянии x=l от начала координат, равен:
Σ
1
1
1
1
1
1
1
1
Упругие перемещения оси шпинделя 5 под действием силы P на длине 0≤x≤l (от передней опоры 6 шпинделя до точки M) описываются кривой OM третьего порядка, далее от точки M - отрезком прямой линии MN, касательной в точке M к кривой OM (фиг. 2).
Σ
Максимальные упругие перемещения левого торца круга 1 для предварительного шлифования (фиг. 1) под действием силы P в точке с координатой
пр
o
Совмещенное шлифование можно реализовать и по второй схеме, когда мелкозернистый круг 1 располагается на максимальном расстоянии от передней опоры 6 шпинделя, а крупнозернистый шлифовальный круг 3 - на минимальном. В этом случае силы резания P и P меняются местами, но численные значения этих сил при одинаковом режиме шлифования не изменяются. С учетом сказанного вторая схема совмещенного шлифования имеет вид, представленный на фиг. 3.
пр
пр
о
Шлифовальный круг 1 так же, как и при первой схеме, изготовлен из крупного зерна F30-F36, а шлифовальный круг 3 - из мелкого зерна F90-F120. Круг 1 для предварительного шлифования расположен от передней опоры 6 шпинделя 5 на расстоянии , а круг 3 для окончательного шлифования - на расстоянии (f+B+δ). Как и при первой схеме совмещенного шлифования, круг 1 для предварительной обработки снимает основной припуск z, а круг 3 для окончательной обработки - припуск z.
sп
Частота вращения шпинделя с инструментом, величина продольной и поперечной подачи заготовки при второй схеме обработки (фиг. 3) остаются такими же, как и при первой схеме совмещенного шлифования (фиг. 1), но при второй схеме вектор поперечной подачи D заготовки направлен от передней опоры 6 шпинделя (к оператору, управляющему станком, который на чертежах изображен окружностью, залитой наполовину), в то время как при первой схеме - к передней опоре (от оператора).
Σ
o
пр
Расстояние точки приложения равнодействующей силы P=P+P от начала координат O при второй схеме совмещенного шлифования
Σ
2
Упругие перемещения шпинделя 5 под действием силы P в точке x=l (фиг. 4)
2
Σ
Угол поворота поперечного сечения шпинделя, расположенного на расстоянии x=l от начала координат (точки О) под действием суммарной силы резания P
Σ
2
2
2
2
2
2
2
2
Упругие перемещения оси шпинделя 5 под действием силы P на длине 0≤x≤l (от передней опоры 6 шпинделя до точки M) описываются кривой ОМ третьего порядка, далее от точки M - отрезком прямой линии MN, касательной в точке M кривой OM.
Σ
2
Максимальные упругие перемещения левого торца круга 3 для окончательного шлифования (фиг. 3) под действием силы P при , то есть в точке N, равны:
o
пр
Σ
Проанализируем полученные формулы с позиции обеспечения более высокой геометрической точности поверхностей, шлифованных по первой и второй схемам, при этом режим шлифования, характеристика абразивного материала кругов 1 и 3, их размеры, снимаемые припуски, силы резания P, P и P, а также изгибная жесткость шпиндельного узла шлифовального станка равнозначны для сравниваемых схем. Принимаем также во внимание то, что при работе круга для предварительного шлифования возникает сила резания, существенно превосходящая силу резания при работе кругом для окончательной обработки. Это объясняется тем, что припуск, снимаемый кругом для предварительного шлифования, в разы больше припуска, снимаемого кругом для окончательной обработки.
o
пр
o
Анализ уравнений (4) и (8) показывает, что в (4) перед сравнительно малой по величине силой P стоит множитель , который меньше множителя , стоящего перед силой P, значительно превышающей силу P. Этот факт свидетельствует о том, что член  в уравнении (4) существенно больше, чем .
o
пр
пр
o
1
Σ
2
В уравнении (8) силы P и P поменялись местами, при этом перед большой силой P стоит множитель , который меньше множителя , стоящего перед малой силой P. В результате этого числитель в уравнении (4) больше по величине, чем числитель в уравнении (8), а следовательно, координата l точки приложения суммарной силы P при первой схеме совмещенного шлифования больше координаты l при второй схеме.
Σ
M1
M2
1
2
На основании этого следует вывод о том, что при первой схеме сила P создает больший изгибающий момент в передней опоре 6 шпинделя 5, чем при второй, а следовательно, и к большим упругим перемещениям шпиндельного узла с инструментами в процессе шлифования. Этот вывод подтверждается также уравнениями (5) и (9), из которых следует, что Y>Y, поскольку l>l.
Σ
Разделив (5) на (9), получим значение коэффициента, указывающее, во сколько раз упругие перемещения в точке приложения силы P при первой схеме совмещенного шлифования больше по сравнению со второй схемой:
o
пр
1
2
y
Σ
3
Для значений B=В=В=10 мм, 6=5 мм, δ=5 мм, которые применимы для плоскошлифовального станка 3M71, отношение l/l≈1,5-2,0, а коэффициент K=(1,5-2,0)≈3,4-8,0. Сравнение уравнений (6), (10) и (7), (11) также свидетельствуют о том, что углы поворота поперечных сечений шпинделя 5 в точках приложения равнодействующей силы P, а также упругие перемещения торца шлифовального круга, наиболее удаленного от передней опоры шпинделя, при первой схеме совмещенного шлифования больше, чем при второй схеме.
На основании проведенного выше анализа упругих перемещений шпиндельного узла с кругами 1 и 3 предлагаемый способ шлифования реализуем с использованием второй схемы совмещенного шлифования (фиг. 3) следующим образом.
r
sпр
Устанавливают шлифовальные круги 1, 3 на шпинделе 5 плоскошлифовального станка согласно фиг. 5 и закрепляют их. Заготовку 7 устанавливают на магнитном столе 10 так, чтобы она располагалась за крупнозернистым шлифовальным кругом 1 (смотрим из позиции, занимаемой оператором, обслуживающим станок). Включают вращение шпинделя 5 с кругами 1 и 3 (фиг. 6) в направлении стрелки D и продольную подачу в направлении стрелки D.
пр
sп
Подводят крупнозернистый шлифовальный круг 1 к заготовке до появления первой искры, после чего опускают круг на величину припуска z, подлежащего снятию при предварительном шлифовании. После такой настройки крупнозернистого круга 1 на размер включают поперечную подачу в направлении стрелки D, т.е. в направлении к оператору.
1
тс
1
тс
В начальной стадии шлифования круг 1 контактирует с заготовкой 7 по небольшой площади, поэтому значение силы резания P незначительное, а следовательно, малы и упругие перемещения Y элементов технологической системы (шпиндельного узла с кругами и стола с заготовкой). По мере дальнейшего шлифования площадь контакта круга 1 возрастает, при этом сила резания P и упругие перемещения Y увеличиваются.
Σ
Максимальная сила резания P возникает, когда в контакте с заготовкой находятся одновременно шлифовальные круги 1 и 3 (фиг. 7), при этом ее значение определяется по формуле (3). В этом положении шлифовальных кругов 1 и 3 относительно заготовки упругие перемещения технологической системы будут иметь максимальные значения. Без учета упругих перемещений рабочего стола с заготовкой (ввиду их значительно большей жесткости по сравнению со шпиндельным узлом) максимальные упругие перемещения шпиндельного узла с кругами 1 и 3 определяются по формуле (11).
2
Далее крупнозернистый шлифовальный круг 3 заканчивает процесс резания, и в работе остается мелкозернистый шлифовальный круг 1 (фиг. 8), при этом сила резания уменьшается, принимая минимальное значение P на выходе круга 3 из контакта с заготовкой 7.
max2
Описанное изменение силы резания при работе инструмента приводит к изменению упругих перемещений шпиндельного узла с кругами 1 и 3 и к отклонению от плоскостности шлифованной поверхности KMNR (фиг. 9), численное значение которой определяется величиной Y. Для уменьшения этой геометрической погрешности цикл шлифования заканчивают работой мелкозернистого круга (фиг. 10), при этом глубину резания назначают равной припуску, определяемому по формуле:
Σ
o
пр
где P - суммарная сила резания; P, P - соответственно сила резания, вызванная работой кругов для окончательного и предварительного шлифования; j - жесткость шпиндельного узла в направлении, перпендикулярном к обработанной поверхности.
Крупнозернистый круг 1 для предварительного шлифования не касается обрабатываемой поверхности, то есть он не ухудшает малую шероховатость, формируемую мелкозернистым кругом 3 для окончательного шлифования.
В известных способах совмещенного шлифования этого достичь нельзя, так как в них используются круги различной зернистости с равными диаметрами режущей поверхности. Поэтому после шлифования мелкозернистым кругом сразу же происходит процесс шлифования крупнозернистым кругом, что ухудшает шероховатость, сформированную мелкозернистым кругом.
Таким образом, с позиции обеспечения высокой геометрической точности шлифованных поверхностей целесообразно не только использовать совмещенное шлифование, но и вторую его схему, обеспечивающую меньшую изгибную нагрузку на шпиндельный узел, а следовательно, и меньшие упругие пространственные перемещения последнего. Предлагаемый способ шлифования позволяет на одном шлифовальном станке выполнять одновременно предварительную и окончательную обработку деталей без замены шлифовального круга (например, крупнозернистого на мелкозернистый круг) и обеспечивает более высокую геометрическую точность и меньшую шероховатость обработанных поверхностей.