14.10.2012
Сточная обработка геометрически неопределенными режущими кромками
(жидкости для металлообработки)

Шлифование

Обработку изделий шлифованием классифицируют в зависимости от станочной операции (по обработке контура изделия) как наружное цилиндрическое, внутреннее цилиндрическое, торцевое и токарное шлифование в соответствии с DIN 8589 или ISO/DP 3002/К98.
     Торцевое или поверхностное шлифование — это метод, применяемый для получения поверхностей, которые либо абсолютно плоские, либо двигаются прямолинейно в направлении подачи шлифовального круга.
     На практике чаще всего применяют методы периферического поперечного шлифования (профильного шлифования) и периферического продольного шлифования (поверхностного шлифования). При использовании этих методов следует понимать различие между глубоким и полным поперечным шлифованием.
     Для глубокого шлифования применяются высокие скорости подачи. Длина контакта обрабатываемого изделия и шлифовального круга увеличивается по мере увеличения скорости подачи, и это затрудняет подачу СОЖ в контактную зону шлифования. Следовательно, СОЖ следует подавать с помощью соответствующих форсунок при высоких давлениях и расходах.
     Наружное цилиндрическое шлифование применяется для обработки симметричных контуров вращения. В зависимости от того, как установлено обрабатываемое изделие, различают бесцентровое шлифование и шлифование между центрами. В промышленной практике, например, используют валы и роликовые подшипники, седла подшипников шатунов, золотниковые стержни, роторные валы и безыгольчатые инжекторы. В случае наружного цилиндрического шлифования применяют главным образом водосмешиваемые, обычно прозрачные синтетические СОЖ, так как они обладают лучшими моющими и охлаждающими свойствами. Внутреннее цилиндрическое шлифование сравнимо с наружным цилиндрическим шлифованием. Однако, поскольку контактная зона между обрабатываемым изделием и шлифовальными кругами значительно больше, СОЖ и ее подача приобретают большее значение. Как и в случае глубокого шлифования, очень грубые пористые шлифовальные круги с меньшей твердостью следует применять для поддержания низкой температуры в контактной зоне.
     Шлифование шестерен является специальным методом. В принципе этот метод может быть подразделен на прерывистое и непрерывное, червячное и профильное шлифование. Выбор метода также зависит как от специфического размера обрабатываемого изделия и материала, так и от качества требуемого зубчатого зацепления. Например, при непрерывном профильном шлифовании могут быть достигнуты только очень короткие временyые отрезки шлифования с получением результатов среднего качества, в отличие от частичного червячного шлифования, обеспечивающего максимальное качество зубчатого зацепления при более продолжительном шлифовании.
     Важными специальными методами являются шлифование резьбы, придание формы, отрезание и острое шлифование. Для этих методов часто требуются специальные СОЖ.

Высокоскоростное шлифование

Высокоскоростное шлифование при Vc > 80 м/с было разработано для повышения экономической эффективности процесса шлифования за счет более высокой скорости удаления стружки (рис. 1).

Принцип высокоскоростного шлифования заключается в обработке изделия при более высоких регулируемых скоростях за один и тот же промежуток времени при высокой скорости резания и подачи. В результате нагрузка на шлифовальный станок, привод шлифовального круга и привод обрабатываемого изделия значительно больше, чем при обычном шлифовании. Применение шлифовальных масел особенно необходимо для высоких скоростей шлифования, с CBN (кубическим нитридом бора) в качестве шлифовальных кругов. Высокий смазывающий эффект снижает трение между обрабатываемым изделием и зернами шлифовального круга и, в результате, может предотвратить образование тепла. Таким образом, можно предотвратить такие термические проблемы, как растрескивание шлифовальной поверхности, образование мягкой пленки и повторное затвердевание. Это также отражается на пониженной тангенциальной силе при применении правильно подобранных масел. Одновременно с этим достигается лучшее качество поверхностей при использовании чистых масел.

Абразивные материалы шлифовальных кругов и связующие

В настоящее время абразивные материалы в основном получают синтетическим способом. Важнейшие материалы классифицируют по твердости в порядке возрастания: корунд (А1₂O₃), карбид силикона (SiC), кубический нитрид бора (CBN) и синтетический алмаз. Выбор абразивных материалов зависит как от материала, так и от способа шлифования. Если корунд применяется для обычного шлифования материалов из чугуна и стали, то CBN пригоден для высококачественного шлифования материалов из черных металлов, в связи с тем, что он обладает большей твердостью и лучше рассеивает тепло. С точки зрения способности вступать в реакцию с химикатами к CBN и алмазам следует относится более критически, чем к корунду и карбиду силикона. Для алмазов наблюдается тенденция к графитизации при температуре 900 °С. CBN подвергается гидролитическому разложению при температуре выше 1000 °С. Гидролиз в значительной степени зависит от условий обработки и применяемой СОЖ. Он является одной из причин применения масел. Во всех абразивных материалах в соответствии с DIN 69 111 абразивные зерна связаны друг с другом базовым материалом. Цель связующего заключается в удержании абразивных зерен до тех пор, пока они не становятся матовыми, а затем в их удалении. Абразивные материалы разделяют на полимерные керамические материалы и металлические связующие из-за различия их упругости, стойкости к температуре, рассеянию тепла и способности к правке. Их химическая стойкость важна с учетом применяемых СОЖ. Шлифовальные круги, связанные полимерами, нестабильны к гидролизу и могут утратить свою прочность на разрыв при применении водосмешиваемых СОЖ. Керамические материалы обладают высокой стойкостью к химикатам и повышенной температуре, но они довольно хрупкие и имеют стекловидный характер. Металлические связующие приобретают все большее значение в качестве суперабразивов благодаря их высокой стойкости к износу.

Требования к шлифовальным жидкостям

Процесс шлифования часто применяется на последней ступени обработки изделия, поэтому выдвигаются высокие требования к точности. Особенное значение в этом отношении имеет СОЖ. Первая задача СОЖ заключается в снижении трения между абразивным материалом и поверхностью обрабатываемого изделия в контактной зоне и, следовательно, в снижении температуры в зоне шлифования. Температуру в контактной зоне необходимо снижать для увеличения срока службы шлифовального круга и предотвращения возникновения периферийных зон на поверхности обрабатываемого изделия. Другая задача СОЖ, естественно, заключается в предотвращении термического повреждения обрабатываемого изделия или шлифовального круга путем рассеивания образовавшегося тепла. Чистая промывка шлифовального круга является важным критерием с точки зрения срока службы станка. Здесь вязкость и качество базового масла, а также присадок СОЖ играют решающую роль. При выборе оптимального смазочного материала для соответствующего процесса шлифования необходимо учитывать следующие критерии:
     • материал обрабатываемого изделия;
     • материал шлифовального круга;
     • способ шлифования;
     • параметры резания (скорость резания, подача, скорость удаления стружки во времени и т. д.).
Выбор водосмешиваемой СОЖ или непосредственно масла, пригодного для процесса наряду с вышеупомянутыми критериями, также зависит от периферийной системы. Здесь сточное оборудование играет решающую роль с точки зрения экстракции, уплотнения, электропроводки и типа фильтрующей системы.

Соображения по специальным материалам обрабатываемых изделий

Особенно высокие требования к СОЖ предъявляют при шлифовании цементированного карбида. В этом случае СОЖ должна содержать ингибиторы, которые предотвращают образование кобальтовых комплексов. Водорастворимые соединения кобальта приводят к возникновению проблем утилизации сточных вод. Кроме того, к ним следует особенно критично относиться с точки зрения охраны здоровья на рабочих местах. Образование водорастворимых комплексов кобальта может быть снижено до минимума за счет использования моющих фильтров и соответствуюших ингибиторов (в условиях тонкой фильтрации) на фильтрах с предварительным покрытием. Новейшие тенденции в Европе для шлифования цементированого карбида также отражают применение маловязких синтетичных углеводородных масел. Прямогонные фракции с очень низкими температурами кипения и температурами вспышки выше 100 °С также обеспечивают адекватное рассеивание тепла.

Высокоскоростное шлифование с применением CBN-шлифовальных кругов

Тенденции к высокоскоростному шлифованию, проявившиеся в последние годы, промотировали увеличение степени применения CBN-шлифовальных кругов. При высокоскоростном CBN-шлифовании достигаются скорости от 80 до 250 м/сек. Гальванически связанные CBN шлифовальные круги, которые могут быть обогащены, имеют в 100 раз более высокие сроки службы, чем обычные корундовые шлифовальные круги, если применяется чистое шлифовальное масло. В случае CBN-шлифовальных кругов особенностью применения СОЖ является снижение трения в зоне зацепления шлифовального круга, что приводит к значительному снижению температуры. В результате этого, несмотря на снижение охлаждающего эффекта, чистые шлифовальные масла обеспечивают значительно более низкие температуры в контактной зоне (рис. 2).

Следовательно, применение соответствующих масел для CBN-шлифования дает потребителю следующие преимущества: увеличенный срок службы шлифовального круга (в десять раз больше, чем при шлифовании корундовым кругом с применением водосмешиваемых СОЖ) и значительно меньшее термическое повреждение обрабатываемого изделия.
     Применение прямогонных масел в CBN-шлифовальном круге также позволяет потребителю фильтрование до очень высокой степени с помощью предварительно охлажденных фильтров, что благоприятно влияет как на качество обработки поверхности изделия, так и на срок службы шлифовального оборудования.
     Операции по CBN-шлифованию до некоторой степени производятся с водосмешиваемыми СОЖ в целях повышения производительности системы или по соображениям совместимости процессов. Продукты с высоким содержанием присадок применяются в этом случае для улучшения смазочных свойств, причем эти продукты почти эквивалентны чистым СОЖ. Качество изделия достигается в этом случае несколько более низкой скоростью удаления обработанных изделий. Однако потребителю приходится мириться с недостатком, заключающимся в явно пониженном сроке службы шлифовального круга из-за более высокой хрупкости зернения. Эфирные масла оказались особенно благоприятными при плоском и червячном шлифовании, а также для нарезания зубьев.
     В отличие от минеральных масел эфирные масла обладают рядом технических преимуществ в резании благодаря их химическим свойствам. Дополнительным плюсом является их превосходная деаэрация, особенно когда обработка производится геометрически неопределенными режущими кромками. Между тем давления выше 100 атм становятся все более приемлемы в технологии для высокоскоростных шлифовальных операций. С другой стороны, обычные минеральные масла поглощают большое количество воздуха и склонны к пенообразованию. Воздух, содержащийся в масле во время обработки, значительно ухудшает процесс рассеяния тепла. Некоторые эфирные масла со специфической химической структурой немедленно выделяют воздух и не образуют пены. Более благоприятное рассеяние тепла часто позволяет увеличить скорости резания. Наряду с лучшими деаэрационными свойствами, по сравнению с минеральными маслами, эфирные масла также имеют более благоприятный коэффициент трения. Можно резюмировать, что маловязкие эфирные масла годны к применению для того же процесса обработки. Потери на вытеснение вследствие стружкообразования также значительно меньше.

Хонингование

Аналогично шлифованию, режущий инструмент для хонингования снабжен множеством режущих кромок, связанных крупным или мелким зернением. Важнейшими материалами зернения являются корунд, карбид силикона, CBN (кубический нитрид бора) и алмазы.
     Хонингование применяется для улучшения формы и точности обрабатываемого изделия благодаря непрерывному контакту его поверхности с режущим инструментом. Имеются четыре основные категории хонингования:
     • длинноходовое хонингование;
     • суперотделочное хонингование;
     • хонингование шестерен (силовое хонингование);
     • лазерное хонингование.
При длинноходовом хонинговании общая длина часто охватывается одним движением (длинные ходы с токарным хонингованием абразивным кругом на стационарном станке). В случае суперотделочного хонингования как режущий инструмент, так и обрабатываемое изделие движутся вдоль возвратной дорожки длиной < 10 мм, ахонинговапьный камень колеблется с более высокой частотой. Хонингование шестерен — это трудный процесс обработки, в котором внутренний зуб внутреннего камня изготовлен из высокопрочного корунда или карбида силикона, использующихся для хонингования наружных прямых или конусных шестерен и валов. Зубчатые передачи с внутренним зацеплением получают таким же способом, с помощью режущих инструментов с наружным зубчатым зацеплением. Лазерное хонингование — это комбинация хонингования в лазерной обработке. Специфические количества масла применяются в четко определенной зоне для создания точно определенных поверхностей. Преимущество всех способов хонингования заключается в высокой точности измерений; значения шероховатости поверхности могут достигать R^z = 1 мкм, что находится в пределах отделки поверхности класса 3 в соответствии с DIN 3969, часть 1. Поскольку инструменты для хонингования имеют поверхностный контакт, гидродинамическая доля удаления обработанных изделий может контролироваться поддержанием таких факторов, как давление, скорость обработки и вязкость жидкости для хонингования. Гидродинамические эффекты увеличиваются по мере проведения операции хонингования, что снижает шероховатость поверхности. Если речь идет о гидродинамическом плавающим инструменте, отсутствует необходимость удаления обработанных изделий. Это наглядно показано на рис. 3, на котором видна зависимость между удалением обработанных изделий при различных давлениях и временем хонингования.

В случае самого низкого контактного давления не происходит дальнейшего удаления обработанных изделий после 80 с, потому что гидродинамическая смазочная пленка приводит к полному разделению хонинговального круга и обрабатываемого изделия. хонинговального круга и обрабатываемого изделия. Когда удерживаемое давление передается не только через хонинговальный круг, но также через изнашиваемые направляющие, его следует удерживать по возможности без износа направляющих. Это возможно путем подбора масла для хонингования с соответствующими вязкостью и присадками. К сожалению, это невозможно использовать часто, вопреки требованиям по удалению обработанных изделий, где требуется жидкость меньшей вязкости для обеспечения достаточного удаления обработанных изделий. Это же относится к промывке хонинговальных кругов, где маловязкие масла также являются преимуществом. На рис. 4 показано влияние вязкости масла для хонингования для удаления обработанных изделий из чугуна в связи с контактным давлением (по Хаасису).

Масла для хонингования

В процессе хонингования образуется очень большая контактная зона между режущим инструментом и обрабатываемым изделием при сравнительно низком давлении, характерном для этого типа операций. Это означает, что теплообразование относительно низкое (по сравнению со шлифованием), так что СОЖ не приходится отводить большое количество тепла. Важным критерием при хонинговании является промывка хонинговального круга для удаления накопившегося на нем материала обрабатываемого изделия в целях обеспечения захвата рабочей поверхности и его самозаточки. Вследствие этого для хонингования применяются очень маловязкие масла (с вязкостью от 2 до 11 мм²/с при температуре 40 °С). Они, как правило, применяются при низком давлении, но с большим расходом через кольцевые сопла. Для достижения требуемой точности обрабатываемых изделий температуру масла для хонингования постоянно поддерживают и с помощью холодильника. Попытка связать определенные свойства масла для хонингования с качеством материалов обрабатываемых изделий показывает следующее: качество зависит больше от твердых материалов с короткой стружкой, чем от очень маловязких масел, а твердые материалы, образующие длинную стружку, лучше поддаются обработке при более высоких вязкостях.
     Бывают особые ситуации, когда, например, связанная с серой хонинговальная стружка растворяется в хонинговальном масле, что может привести к пониженному снятию металла. Специальные ингибиторы в масле должны предотвращать растворение серы. Точно так же, как и при шлифовании, важно, чтобы при выборе СОЖ учитывались связующие для хонинговальной стружки и обрабатываемый материал. Наряду с прямыми маслами, для этих целей применяются также водосмешиваемые СОЖ, особенно в случаях, когда направляющие хонинговального цилиндра с алмазными зернами применяются в автомобильной промышленности. Это наблюдается довольно часто на технологической линии, потому что прежняя операция по обработке изделия обычно проводилась с применением водосмешиваемых жидкостей. Также это снижает производственные затраты, если применяются однообразные среды.

Притирка

В отличие от шлифования и хонингования, притирка — это точный отделочный процесс с применением несвязанного абразивного материала. В процессе притирки обрабатываемое изделие подвергается трению между поверхностями трения и соответствующей контрповерхностью в виде рабочего диска. Металл в этом случае удаляют движением металлических зерен в контактной зоне. Острия зерен вдавливаются в материал на глубину в пределах от 5 до 10% от диаметра зерна. В соответствии с DIN 8589, притирка подразделяется на поверхностную, окружную и конусную, притирку зубьев, формовочную притирку и копировальную. Возможна и другая классификация на основе эффективной поверхности притирочного инструмента. Если оси притирочного инструмента и обрабатываемого изделия параллельны, то этот процесс называю периферической притиркой: при боковой притирке оси изделия и притирочного инструмента вертикальны по отношению друг к другу. Возможно также подразделение на грубую и тонкую притирку, в зависимости от точности отделки поверхности.

Притирочный порошок и носители

В качестве абразивного зерна главным образом применяют карбид силикона (SiC), корунд (А1₂O₃), карбид бора (В₄С) и алмаз. Корунду отдают предпочтение для мягких сталей, латуни, бронзы и покрытий, тогда как SiC используют обычно для обработки закаленных сталей и стекла. Карбид бора и алмаз применяют для очень твердых материалов, таких как цементированные карбиды и керамические материалы.
     Основными характеристиками качества притирочного порошка являются распределение зерен по размерам, твердость зерна, острота и число режущих кромок. Спектр зернения находится в пределах от 5 до 40 мкм, но большинство зерен имеют размер от 12 до 18 мкм.
     Цель использования притирочного масла заключается в придании гомогенности при смешении зерен. Однако следует тщательно избегать агломерации притирочного порошка. Притирочное масло выполняет важную задачу в этой операции, заключающуюся в смазке поверхностей обрабатываемого изделия и рабочего диска во избежание холодного сваривания. Смазочная пленка не должна быть слишком толстой, в противном случае гидродинамика не позволит эффективно удалять стружку. В случае притирочных масел нужно выбирать между очень маловязкими маслами, которые могут лишь обеспечивать суспензирование притирочного порошка на короткий период времени, и тиксотропными высоковязкими продуктами, которые могут удерживать притирочный порошок и обладают очень хорошей моющей способностью, что влияет на чистоту поверхности. Из-за отсутствия несущей способности масла по отношению к притирочным порошкам эти продукты применяются только на станках, где бак для притирочной среды снабжен мешалкой.