Алмазное выглаживание

12.1. Сущность процесса и конструкции инструментов.

12.2. Шероховатость и точность выглаженных поверхностей.

12.3. Физико-механические свойства обрабатываемой поверхности.

12.4. Режим обработки.

12.5. Использование алмазного выглаживания.

12.1. Алмазное выглаживание используется с целью получения высокого качества поверхностного слоя деталей и повышения их эксплуатационных свойств. Им можно обрабатывать детали из углеродистых, легированных и закаленных на разную твердость сталей, чугунов, алюминиевых сплавов, бронзы, латуни и т.д.

Алмазное выглаживание представляет собой процесс пластического деформирования исходного микропрофиля под действием усилия, приложенного к алмазу (или другому сверхтвердому материалу). Пластическая деформация металла приводит и сглаживанию микрогребешков обрабатываемой поверхности и заполнению впадин микропрофиля объемом сдеформированных гребешков.

Специфические свойства инструментального материала при алмазном выглаживании обеспечивают высокую твердость, малый коэффициент трения при работе по металлической поверхности, значительную износостойкость, хорошую теплопроводность и термостойкость. Кроме того, алмаз легко полируется до шероховатости Rа = 0,02-0,08 мкм. Все эти свойства алмаза позволяют обрабатывать ППД любые материалы с различной твердостью (до 62-63 НRС_э и выше).

Выглаживанием можно получить шероховатость обработанной поверхности Rа = 0,08-0,32 мкм, при этом образуется наклепанный слой, глубина распространения которого достигает нескольких десятых миллиметров, а степень упрочнения составляет от 40 до 200%; в упрочненном слое наводятся сжимающие остаточные напряжения, достигающие 700-900 МПа. Все эти характеристики поверхностного слоя позволяют значительно увеличить износостойкость, контактную усталостную прочность, коррозионную стойкость и др.

Использование в качестве деформирующего элемента алмаза с радиусом закругления 0,5-3 мм требует малых усилий деформирования, в связи с чем выглаживанием можно обрабатывать детали с небольшой толщиной стенок (до 0,5 мм) и небольшими диаметрами (4-5 мм).

Алмазный выглаживающий инструмент обладает весьма высокой стойкостью, достигающей 40-50 ч машинного времени, что способствует экономической эффективности процесса алмазного выглаживания. Алмазный инструмент выполняется в виде цилиндрической державки из стали 12ХН3А или 40Х и закрепленного в ней с помощью пайки кристалла алмаза. Рабочая поверхность выглаживателя может иметь форму сферы, цилиндра, кругового тора или конуса. Наиболее распространенной в силу ее универсальности является сферическая форма. Она применяется для выглаживания наружных, внутренних и торцовых поверхностей.

Алмазный выглаживающий инструмент со сферической рабочей поверхностью выпускается с размерами радиусов сферы от 0,5 до 4 мм через 0,5 мм. Для его изготовления используются природные кристаллические алмазы, а также синтетические алмазы, представляющие собой поликристаллы размером до 5-6 мм. Алмазное выглаживание может осуществляться инструментами с жестким и упругим контактом деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью.

На рис. 12.1, а показана конструктивная схема жесткого инструмента, выполненного в виде корпуса 2 с закрепленным в нем винтом алмазным выглаживателем 1. Корпус устанавливается в резцедержателе токарного станка. Обработка детали осуществляется за счет внедрения алмазного выглаживателя на некоторую величину натяга, зависящую от ряда факторов.

Рис. 12.1. Алмазные выглаживатели для обработки наружных цилиндрических поверхностей: а – с жестким контактом алмаза с обрабатываемой поверхностью; б – с упругим контактом алмаза с обрабатываемой поверхностью

Высокая чувствительность к величине натяга при жестком закруглении выглаживателя приводит к определенным ограничениям жесткости системы СПИД и величины биения обрабатываемой поверхности. Инструментом с жестким закреплением следует работать на станках с повышенной жесткостью при минимальной величине биения шпинделя (не более 0,015 мм). Выглаживание этим инструментом рекомендуется применять для обработки высокоточных деталей и выполнять за одну установку с предварительной обработкой под выглаживание.

При обработке с упругим контактом деформирующего элемента поверхности необходимое усилие деформирования устанавливается посредством пружины. В этом случае деформирующее усилие поддерживается почти постоянным в процессе обработки, так как при наличии даже сравнительно большого биения обрабатываемой поверхности изменения радиальных усилий будут незначительны.

На рис. 12.1, б приведена конструкция инструмента для обработки наружных поверхностей, у которых упругий контакт осуществляется с помощью цилиндрической пружины. Инструмент устанавливается в резцедержателе токарного станка посредством корпуса 6, в котором под действием тарированной пружины перемещается стержень 5 с закрепленным в нем винтом алмазным наконечником 4. Упор, установленный на стержне 5 инструмента, ограничивает его перемещение относительно корпуса. Регулировка необходимого усилия деформирования осуществляется винтом 1 и пружиной 2. Индикатор 3 предназначен для контроля усилия деформирования, установленного для осуществления процесса выглаживания.

Перед началом работы пружина предварительно деформируется на определенную величину, а в момент касания алмаза обрабатываемой поверхности она дополнительно сжимается до заданного усилия деформирования.

Недостаток пружинных выглаживателей – возникновение вибраций при работе с большой частотой вращения обрабатываемой детали. Меньшей чувствительностью к вибрациям обладают инструменты, имеющие упругость за счет утонения определенной части их корпуса.

12.2. Наибольшее влияние на величину микронеровностей выглаженной поверхности при жестком контакте инструмента с поверхностью обработки оказывает величина натяга, а при упругом – величина усилия деформирования, приложенного к алмазному наконечнику.

Для всех материалов характер изменения шероховатости от увеличения силы деформирования одинаков. Сначала микронеровности по мере увеличения усилия уменьшаются, затем наступает момент, когда увеличение усилия не приводит к уменьшению микрогребешков. Это оптимальное усилие создает контактные давления, при которых происходит наиболее полное заполнение впадин материалом микрогребешков. Величина оптимального усилия для различных материалов колеблется в пределах 50-150 Н.

Шероховатость выглаженной поверхности зависит и от подачи. Наименьшая шероховатость достигается при подаче 0,02-0,04 мм/об. Дальнейшее уменьшение подачи увеличивает микронеровности выглаженной поверхности, что связано с перенаклепом поверхностного слоя из-за большой кратности деформирования обработанной поверхности. При подаче больше 0,04 мм/об происходит увеличение микронеровностей выглаженной поверхности, обусловленное увеличением шага микрогребешков.

Скорость выглаживания в диапазоне 0,16-1,6 м/с практически не оказывает влияния на шероховатость обработанной поверхности.

На шероховатость выглаженной поверхности в определенной мере влияет исходная шероховатость. С ее увеличением увеличивается и шероховатость обрабатываемой алмазом поверхности. Особенно сильно это проявляется при обработке закаленных сталей твердых материалов. Закаленные стали эффективно выглаживаются при исходной шероховатости Rа = 0,32-1,25 мкм. При выглаживании мягких сталей, бронзы, алюминия исходную шероховатость можно принимать Rа = 0,63-5 мкм.

Шероховатость обрабатываемой поверхности связана и с радиусом профиля алмазного инструмента. Радиус выбирается в зависимости от механических свойств обрабатываемых материалов. Чем мягче выглаживаемый материал, тем большую величину радиуса инструмента следует принимать для его обработки.

Выглаженная поверхность характеризуется высокой опорной поверхностью. На рис. 12.2 приведены кривые опорных поверхностей, обработанных

до одной шероховатости, но различными способами. Наибольшей опорной поверхностью обладает поверхность, обработанная алмазным выглаживанием.

Рис. 12.2. Кривые опорных поверхностей, обработанных:

а – шлифованием; алмазным растачиванием;

б – раскатыванием шариковым инструментом;

в – алмазным выглаживанием

Точность обработки при алмазном выглаживании зависит от вида инструмента: жесткий или упругий. Упругий инструмент копирует погрешности геометрической формы деталей, уменьшая их размеры на величину остаточной деформации. При упругом выглаживании погрешности геометрической формы в поперечном и продольном сечении практически не изменяются. Не изменяется и точность диаметральных размеров выглаженных деталей по сравнению с точностью их обработки под выглаживание. При выглаживании жестким инструментом происходит частичное (до 50%) исправление погрешностей геометрической формы в продольном и поперечном сечении детали. Жесткое выглаживание уменьшает поле рассеивания фактических размеров на 25-30% по сравнению с полем их рассеивания, полученным при изготовлении деталей под выглаживание.

12.3. При алмазном выглаживании в поверхностном слое детали происходит упруго-пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением материала, появлением сжимающих остаточных напряжений и образованием ориентированной мелкозернистой структуры поверхностного слоя.

Упрочнение, характеризуемое степенью и глубиной наклепа, зависит главным образом от величины усилия выглаживания. Увеличение поверхностной твердости с ростом усилия выглаживания происходит до его определенного значения (120-180 Н). Дальнейшее увеличение усилия деформирования не приводит к росту твердости, а, наоборот, к ее снижению.

Глубина распространения наклепанного слоя с увеличением усилия деформирования растет, причем на глубину наклепа влияет и радиус сферы алмазного наконечника – увеличение радиуса при соответствующей величине усилия деформирования позволяет получать наклепанный слой большей глубины.

В меньшей степени упрочнение поверхностного слоя зависит от подачи. Увеличение ее приводит к уменьшению поверхностной твердости. Наибольшее упрочнение достигается при подачах 0,04-0,06 мм/об.

Физико-механические свойства обрабатываемого материала сказываются на степени и глубине наклепа. Наибольшее повышение твердости наблюдается у материалов, склонных к упрочнению (стали аустенитного класса). Степень упрочнения колеблется от 10 до 80%, а глубина упрочненного слоя – от 0,05 до 0,4 мм.

При алмазном выглаживании поверхностный слой металла приобретает мелкозернистую структуру; зерна дробятся и вытягиваются по направлению движения инструмента, образуя текстуру деформированного слоя. При обработке закаленных сталей в поверхностном слое происходят фазовые изменения с распадом остаточного аустенита и превращением его в мартенсит.

Алмазное выглаживание разных сталей, закаленных до различной твердости, создает сжимающие остаточные напряжения, достигающие 350-1100 МПа, глубина распространения которых колеблется от 0,15 до 0,4 мм. С увеличением усилия выглаживания в поверхностном слое происходит рост сжимающих напряжений и глубины их залегания.

В меньшей мере на величину остаточных напряжений влияет величина подачи. С уменьшением ее остаточные напряжения несколько увеличиваются. Радиус сферы алмазного наконечника увеличивает глубину распространения остаточных сжимающих напряжений, тогда как их максимальная величина почти не изменяется.

Повышенная твердость и благоприятный микрорельеф поверхности, а также образование в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений приводят к повышению износостойкости, контактной выносливости и усталостной прочности. Сравнительные испытания износостойкости шлифованных, полированных и выглаженных образцов, имеющих шероховатость Rа = 0,08-0,16 мкм, показали, что наибольший износ имели шлифованные образцы, в 1,5-2 раза меньше износ был у полированных и самый меньший наблюдался у выглаженных образцов (на 20-40% меньше, чем у полированных).

Алмазное выглаживание значительно повышает контактную выносливость. Результаты сравнительных стендовых испытаний роликовых подшипников, беговые дорожки внутренних колец которых были обработаны алмазным выглаживанием и суперфинишированием, показали, что подшипники, у которых беговые дорожки обработаны алмазным выглаживанием, имеют в 3 раза большую долговечность по сравнению с подшипниками, рабочие поверхности которых подвергались суперфинишированию.

Алмазное выглаживание также может быть использовано как упрочняющая обработка с целью увеличения усталостной прочности деталей. Так, упрочнение алмазным выглаживанием образцов из сырых сталей 40, 35ХН1М и цементированной и закаленной до 63-65 НRС_э стали 14Х2Н 3МА позволило увеличить выносливость на 17-25% по сравнению с неупрочненными образцами. Коррозионно-усталостная прочность образцов, обработанных алмазным выглаживанием, повышается примерно в 3 раза.

12.4. При выборе режимов выглаживания необходимо учитывать физико-механические свойства обрабатываемых материалов, требования к точности и качеству поверхностного слоя, а также характер предварительной обработки.

Физико-механические свойства обусловливают выбор радиуса алмазного инструмента. Чем тверже материал, подлежащий обработке, тем меньше следует принимать радиус рабочей поверхности алмаза для получения необходимого удельного давления в зоне контакта при выглаживании (табл. 12.1).

Обеспечение необходимого качества обрабатываемой поверхности (шероховатость, глубина и степень наклепа, величина и характер распределения остаточных сжимающих напряжений) обусловливается выбором необходимого усилия выглаживания. В зависимости от требований, предъявляемых к качеству поверхности детали, режимы выглаживания могут быть сглаживающими, упрочняюще-сглаживающими и упрочняющими. В зависимости от принятого режима обработки берется усилие выглаживания, величина которого определяется по формуле

где e - относительная глубина внедрения инструмента; HV – твердость по Виккерсу; D – диаметр обрабатываемой поверхности; r – радиус рабочей части алмазного инструмента. Величина где h – глубина внедрения выглаживателя.

Таблица 12.1.

Значения радиусов рабочей части алмазного инструмента

Обрабатываемый материал	Твердость	Рекомендуемый радиус алмаза, мм
Закаленные и цементируемые стали	60-65 HRC	1,0-1,5
Термически обработанные стали	35-50 HRC	1,5-2,0
Сырые и термоулучшенные стали	300 НВ	2,0-2,5
Цветные металлы и сплавы	-	2,5-3,5

Рекомендуемые значения относительного натяга приведены в табл. 12.2.

Таблица 12.2

Значения относительного натяга в зависимости от вида алмазной

обработки и твердости обрабатываемого материала

Режим обработки	Относительное внедрение
для закаленных сталей	для мягких материалов
Сглаживающий	0,003	0,0015
Упрочняюще-сглаживающий	0,005	0,0025
Упрочняющий	0,007	0,0045

Величина подачи выбирается с учетом обеспечения требуемой шероховатости обрабатываемой поверхности. Для получения минимальной шероховатости при выглаживании закаленных сталей рекомендуется применять подачи 0,02-0,06 мм/об, при обработке сырых сталей и бронзы – 0,04-0,08 мм/об и алюминиевых сплавов – 0,04-0,12 мм/об.

Обработку выглаживанием следует проводить за один проход.

Скорость выглаживания в большом диапазоне (от 0,16 до 1,6 м/с) практически не оказывает влияния на шероховатость поверхности. Однако при скоростях выше 2,5 м/с резко возрастает интенсивность вибраций.

Допустимые значения чисел оборотов детали при определенной величине биения обрабатываемой поверхности:

Биение обрабатываемой поверхности, мм >0,2 0,2-0,1 0,1-0,05

Допускаемая частота вращения шпин-

деля, мин^-1 100 100-200 200-400

Другим фактором, ограничивающим выбор скорости выглаживания является высокая контактная температура, резко снижающая стойкость инструмента. Поэтому не рекомендуется производить обработку алмазным выглаживанием при скоростях выше 2,5 м/с. В качестве смазывающе-охлаждающей жидкости при выглаживании черных металлов и сплавов следует применять индустриальное масло 20, а при обработке цветных металлов и сплавов – керосин.

При выглаживании с оптимальными режимами обработки и величиной радиуса округления алмаза шероховатость поверхности, полученная после обработки, в зависимости от исходной шероховатости определяется по формуле

Изменение размера детали после алмазного выглаживания можно с достаточной для практики точностью вычислить по формуле

12.5. Алмазное выглаживание применяется, как правило, при обработке деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, улучшенных до 40-50 НRС_э или закаленных до 55-63 НRC_э, к которым предъявляются высокие требования по шероховатости и износостойкости поверхностного слоя. Алмазному выглаживанию подвергаются поверхности деталей из сырых сталей и цветных металлов и их сплавов, у которых необходимо обеспечить шероховатость Rа = 0,04-0,16 мкм, и особенно при обработке маложестких деталей и деталей с неравножесткими и маложесткими стенками.

На ряде заводов упругим инструментом, имеющим цилиндрическую форму алмаза с радиусом 3 мм, осуществляется алмазное выглаживание оси конечного выключателя из стали 15 с твердостью НВ 260-280 на токарном станке 1К62. Диаметр обрабатываемой шейки 10,19±0,1 мм и длина 13 мм. Режим обработки: усилие выглаживания 180-200 Н; скорость 0,51 м/с; подача 0,07 мм/об; СОЖ – индустриальное масло 20. Шероховатость поверхности после выглаживания соответствует Rа = 0,08-0,16, тогда как предварительная обработка шлифованием обеспечивала шероховатость Rа = 0,63-1,25 мкм.

Алмазное выглаживание используется при обработке кольца сальника ступицы заднего колеса, выполненного из стали 45, закаленной до твердости 56-62 НRС_э. На токарном станке на оправке устанавливаются четыре детали, имеющие наружный диаметр 112-0,07 мм, и производится их обработка пружинным инструментом с радиусом алмаза 1,5 мм. Выглаживание осуществляется при усилии 200 Н, подаче 0,1 мм/об и скорости 2,1 м/с, в качестве СОЖ используется индустриальное масло. В результате обработки алмазным выглаживателем шероховатость поверхности уменьшилась с Rа = 0,63-1,25 мкм до Rа = 0,08-0,16 мкм.

Алмазное выглаживание применяется для обработки шеек ротора турбокомпрессора вместо суперфиниширования. Деталь изготавливается из стали 45, закаленной до твердости 58-62 НRC_э, и имеет диаметр обрабатываемых шеек 21^-0,09 мм. Предварительная обработка шеек осуществлялась на шлифовальном станке до требуемого размера и шероховатости Rа = 0,08-0,16. Алмазное выглаживание производилось при усилии 250-300 Н, скорости обработки 1,1 м/с, подаче 0,07 мм/об, СОЖ – индустриальное масло. После выглаживания шейки имели шероховатость Rа = 0,02-0,04 мкм при овальности, гранности и конусности – не более 0,002 мм.

Внедрение алмазного выглаживания при обработке беговых дорожек роликоподшипников шпиндельного узла прецизионного координатно-расточного станка позволило увеличить производительность труда по сравнению с доводкой чугунными притирами в 10 раз, повысить износостойкость роликов в 1,5-2 раза. Экономический эффект составил 20 тыс.руб в год.

Эффективно использование алмазного выглаживания при отделочной обработке шеек валов и валов-шестерен в условиях мелкосерийного производства. Высокие требования к шероховатости шеек (Rа = 0,04-0,16 мкм) у деталей, изготавливаемых из сталей 40, 40Х, 3ГХН, 30ХГСА и других, улучшенных до твердости 30-45 НRCэ, обусловливали введение после чистового шлифования (шероховатости Rа = 0,63-1,25 мкм) ручных полированных операций. Замена ручного полирования алмазным выглаживанием позволила стабильно получать шероховатость Rа = 0,04-0,16 мкм, высокую точность геометрической формы обрабатываемых поверхностей, при этом время обработки уменьшилось в 2-4 раза.