Алмазное хонингование глубоких отверстий

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ХОНИНГОВАНИЯ

Сущность процесса. Хонингование представляет со­бой процесс чистовой обработки поверхностей деталей комплектом взаимосвязанных абразивных или алмазных брусков, установленных в головке, обеспечивающей ки­нематическое замыкание контакта с обрабатываемой поверхностью [И]. Характерным отличием хонингования является большая площадь контакта режущих брусков с обрабатываемой поверхностью, незначительная вели­чина давления и малые скорости резания, при которых достигаются высокая производительность, исправление исходных погрешностей геометрической формы, повыше­ние точности размеров и уменьшение шероховатости об­рабатываемых поверхностей.

Хонингование применяют для обработки наружных и внутренних цилиндрических поверхностей. Благодаря шарнирному соединению хонинговальной головки со шпинделем станка инструмент и деталь самоустанавли- ваются, что обеспечивает высокую точность обрабаты­ваемых отверстий. Шарнирное соединение инструмента со шпинделем допускает некоторое несовпадение оси обрабатываемого отверстия с осью инструмента. Эта особенность процесса хонингования позволяет сокращать припуск на обработку и вспомогательное время на уста­новку, выверку и крепление детали.

Для осуществления резания хонинговальным брускам сообщают вращательное и возвратно-поступательное движения и радиальную подачу. Совокупность этих дви­жений обеспечивает срезание микростружек и самозата­чивание инструмента. Резание осуществляется сцементи­рованными в связке хонинговальных брусков зернами, Десятки тысяч которых выступают над уровнем связки
и образуют рельеф режущей поверхности брусков. Под действием нормальной силы режущие зерна внедряются на определенную глубину в поверхностный слой метал­ла и при движении брусков снимают с обрабатываемой

поверхности тончайшие стружки. Обработка сопро­вождается обильной пода­чей в зону резания смазоч­но-охлаждающей жидкости, которая обеспечивает уда­ление стружки и продуктов износа с поверхностей брус­ков и обрабатываемого от­верстия, отвод части выде­ляющегося при резании теп­ла и оказывает смазочное и химическое воздействие, что способствует улучшению условий резания.

Сочетание вращательно­го и возвратно-поступатель­ного движения хонинговаль­ной головки определяет ти­пичную для хонингования сетку следов обработки в виде пересекающихся вин­товых линий. На рис. 1 при­ведена развертка сетки сле­дов, образуемых вращаю­щимся бруском за один воз­вратно-поступательный ход по поверхности глубокого отверстия. Угол а наклона траектории движения зерна является одним из основных параметров, характеризующих процесс хонингования. Изменяя угол 2 а сетки рисок, можно управлять процес­сом хонингования: изменять интенсивность съема метал­ла и исправления исходных погрешностей геометриче­ской формы обрабатываемого отверстия.

До последнего времени процесс хонингования пред­назначался для уменьшения шероховатости поверхности с незначительным повышением точности. Это объясня­лось затуханием съема припуска по времени и интенсив­
ным износом абразивных брусков, что определяло тру­доемкость достижения требуемой точности обработки.

При алмазном хонинговании имеются все условия для снятия больших припусков и интенсивного исправ­ления значительных исходных погрешностей геометри­ческой формы.

Обработка отверстий методом алмазного хонингова­ния в отечественной и зарубежной практике в послед­ние годы получила широкое распространение. Огромные преимущества алмаза перед электрокорундом и карби­дом кремния по основным физико-механическим свой­ствам, особенно твердости, прочности и абразивной спо­собности, значительно расширяют возможности алмаз­ного хонингования [1, 7, 14]. Алмазное хонингование повышает точность геометрической формы и уменьшает шероховатость поверхности, а также стабилизирует ка­чество обрабатываемых деталей и повышает надежность технологических процессов [1, 8, И].

Хонингование инструментами из синтетических алма­зов нашло успешное применение в автомобильной, авиа­ционной промышленностях, тракторном, сельскохозяйст­венном, нефтяном и других отраслях машиностроения при обработке деталей из чугуна, стали, керамики, пластмасс и цветных металлов.

Рекомендации по выбору алмазных брусков и режи­мов резания. Марку алмазов, зернистость, связку, кон­центрацию, форму и размеры алмазных брусков под­бирают в зависимости от конкретной задачи операции и условий ее применения.

При хонинговании в зависимости от физико-механи­ческих свойств материалов и технических условий на обработку используют алмазные порошки марок АСР, АСВ, АСК, АСС и порошки из дробленых поликристал­лов АСБ, АСПК.

Рекомендации по выбору марок алмазов приведены в табл. 1.

Наиболее широко применяется для хонингования алмаз АСВ.

Выбор зернистости алмазных брусков определяется величиной снимаемого припуска и требуемой шерохова-

Таблица 2

тостью обрабатываемой поверхности. Чем крупнее ал­мазные зерна, тем интенсивнее происходит съем метал­ла, но при этом увеличивается шероховатость обрабо­танной поверхности. Рекомендации по выбору зернисто­сти брусков в зависимости от этих условий приведены в табл. 2 [1, 11].

Большое влияние на работоспособность брусков оказывает связка. Опытами установлено, что расход

Таблица 3

брусков может изменяться в зависимости от выбора связки в 5—10 раз.

Наиболее часто применяют хонинговальные бруски на металлических и металлосиликатных связках. ВНИИАлмазом и Институтом сверхтвердых материалов

АН УССР разработаны специальные связки, при ис­пользовании которых обеспечивается высокоэффектив­ное хонингование различных материалов в конкретных условиях обработки [1, 3, 16, 17, 20].

Рекомендуемые сочетания связок и марок синтети­ческого алмазного порошка для конкретной обработки приведены в табл. 3.

Для окончательного хонингования деталей из чер­ных и цветных металлов рекомендуются алмазные бруски на эластичных каучуковых связках. Эти связки применяются при окончательном хонинговании отвер­стий любых диаметров, к шероховатости поверхности которых предъявляются особенно высокие требования 0,080 мкм).

Наибольшее распространение получили алмазные бруски с концентрацией 100%, которые применяются при получистовых операциях. Бруски с концентрацией 50% применяются при предварительных операциях хо­нингования непосредственно после токарной и терми­ческой обработки. Особым случаем является обработка цементированных или азотированных сталей с высокой твердостью поверхностного слоя {HRC^z60), где при­меняются (с использованием специальных связок) хо­нинговальные бруски с концентрацией алмазов 150%.

Снижение концентрации алмазов по сравнению с ре­комендуемой приводит к уменьшению режущей способ­ности брусков и резко снижает интенсивность и ста­бильность исправления геометрии хонингуемых отвер­стий.

Большое влияние на результаты хонингования ока­зывают форма и размеры брусков. С увеличением пло­щади бруска возрастают производительность операции и стойкость бруска. При замене брусков формы БХ на сегментные также увеличивается производительность процесса. В зависимости от конкретной операции форма и размеры брусков изменяются в широких пределах.

Номенклатура выпускаемых брусков представлена в ГОСТ 16606—71.

Различают следующие параметры режима резания при хонинговании: окружная скорость инструмента v_0K, м/мин; возвратно-поступательная скорость v_Bn, м/мин; давление брусков р_уд, кгс/см² или радиальная подача брусков (при дозированной подаче) s_p, мкм/дв.ход.

Режимы резания и₀к, v_BU, р_уд, применяемые при ал­мазном хонинговании, зависят от ряда факторов и из­меняются в зависимости от свойств материала обраба­тываемой детали, конструкции хона, смазочно-охлаж­дающей жидкости, характеристики бруска, вида обра­ботки (предварительная или окончательная) и других факторов.

При хонинговании число операций устанавливают, исходя из исходной и заданной точности геометричес­кой формы детали и шероховатости обрабатываемой по­верхности. Однократное хонингование рекомендуется при обработке отверстий 3-го класса точности с шероховато­стью поверхности Ra^z0,63 мкм. Обычно алмазное хо­нингование производят в две операции: на первой опе­рации достигается в основном размерная точность, а на второй — требуемая шероховатость поверхности. При необходимости снять повышенные припуски (до 0,3 мм на диаметр) и получить высокое качество обра­ботанной поверхности выполняют последовательно три и более операции хонингования. Бруски, применяемые на окончательной операции, позволяют получить шеро­ховатость Ra^ 0,08 мкм при обработке чугуна и Ra^0,04 мкм при обработке закаленной стали.

На протекание процесса хонингования существенное влияние оказывает как абсолютное значение скоростей v₀K и і>вп, так ^{и их} отношение, определяющее угол а сетки рисок (см. рис. 1).

Таблица 4

При назначении режимов алмазного хонингования ограничивающим фактором является v_BU, которую прак­тически нельзя установить (на существующих станках) выше 15—20 м/мин. Более высокие значения v_Bn не обе­спечивают плавности движения хона и вызывают вибра­ции в процессе хонингования.

Окружная скорость v_0K оказывает существенное вли­яние на процесс хонингования. С увеличением v_0K зна­чительно возрастает производительность обработки. Однако работа на больших окружных скоростях приво­дит к увеличенному нагреву детали, ухудшению геомет­рической формы отверстия и нестабильности размера его диаметра.

Рекомендуемые значения v_0K приведены в табл. 4

[8, 11].

Скорость возвратно-поступательного движения ин­струмента принимается в зависимости от ц₀к в опреде­ленном соотношении [И]

k_v'= V_OK/VBn= 1 —г~8.

Целесообразно использовать повышенные значения у_Вп в пределах до 20 м/мин, что способствует увеличе­нию производительности процесса.

Основное влияние на производительность процесса оказывает величина давления р_уд или дозированная по­дача 5_Р брусков. С повышением руд или s_p возрастает съем металла, следовательно, сокращается время на об­работку. Повышение р_Уд или s_p ограничивается мощно­стью двигателя шпиндельной головки, точностью и ка­чеством обработанной поверхности, а также износом ал­мазных брусков.

Рекомендуемое давление р_уд при предварительном хонинговании чугунных деталей равно 12—15 кгс/см², а закаленной стали 8—12 кгс/см² [2, 11]. При окончатель­ном хонинговании деталей давление р_уд должно быть 2—4 кгс/см². На протяжении цикла хонингования фак­тическое давление в зоне контакта брусков не остается постоянным. Максимальное давление наблюдается в на­чальный период хонингования, когда бруски работают по вершинам шероховатой поверхности. На этом этапе врезания наблюдается наибольший съем металла и ин­тенсивный износ брусков.

При алмазном хонинговании целесообразно приме­нять рабочий цикл со ступенчатым изменением давле­ния: 8—12 кгс/см² в период основного съема металла и 2—4 кгс/см² на этапе врезания и выхаживания [11, 14].

Сопоставление процессов алмазного и абразивного хонингования. Различие в структурном строении абра­зивного и алмазного бруска предопределяет особенности протекания рабочего процесса хонингования, механизма износа и самозатачивания инструмента. Процесс хонин­гования абразивными брусками носит циклический ха­рактер [11, 14]. В начальный период хонингования ост­рые гребешки обрабатываемой поверхности вырывают абразивные зерна, изнашивают связку и вскрывают но­вые острые режущие зерна. Происходйт интенсивное снятие металла. По мере срезания острых гребешков и затупления абразивных зерен съем металла уменьшает­ся. На последнем этапе хонингования, когда гребешки уже срезаны и абразивные зерна затупились, резание почти прекращается, идет процесс выхаживания для уменьшения шероховатости поверхности. Обработка сле­дующей детали начинается с удаления затупленного слоя абразива и связки [14].

Таким образом, в начальной стадии хонингования каждой детали абразивные бруски самозатачиваются, вскрытые абразивные зерна снимают основной припуск и в конце цикла затупляются, способствуя этим сниже­нию шероховатости поверхности.

При алмазном хонинговании процесс износа и за­тупления алмазных зерен происходит во много раз мед­леннее и осуществить автоматическое самозатачивание режущего инструмента удалением затупленного слоя практически невозможно и экономически невыгодно. Во время обработки одной детали рельеф режущей поверх­ности алмазного бруска изменяется мало В начальный период обработки алмазные бруски интенсивно срезают вершины гребешков, при этом металлическая связка, удерживающая алмазные зерна, постоянно изнашива­ется и все более обнажает режущие зерна. По мере сре­зания гребешков увеличивается площадь контакта дета­ли с бруском, уменьшается давление и снижается ин­тенсивность съема металла. На последнем этапе цикла хонингования алмазные зерна остаются достаточно ост­рыми. Столь резкого снижения съема металла и загла­живания поверхности, как это наблюдается у абразив­ных брусков на этапе выхаживания, не происходит.

При хонинговании абразивными и алмазными брус­ками одной зернистости и на одинаковых режимах ше­роховатость поверхности после хонингования абразив­ными брусками на один класс выше. Поэтому в тех слу­чаях, когда необходимо обеспечить низкую шерохова­тость обработанной поверхности без существенного из­менения геометрии отверстий, достигаемой на пред­шествующих операциях, целесообразно применять абра­зивные бруски. В табл. 5 приведено сопоставление

Таблица 5

процессов абразивного и алмазного хонингования. Про­цесс алмазного хонингования по сравнению с абразив­ным имеет явное преимущество. Главным преимущест­вом алмазного инструмента по сравнению с абразивным является высокая стойкость брусков в сочетании с по­вышенной режущей способностью.

При использовании абразивных брусков стойкость одного комплекта составляет обычно несколько десят­ков или сотен деталей. Одним комплектом алмазных брусков обрабатывают десятки тысяч деталей. Напри­мер, стойкость комплекта алмазных брусков в зависи­мости от припуска на обработку при хонинговании де­талей из серого чугуна составляет 30 000—100 000 отвер­стий, при обработке стальных термоулучшенных — 500—10 000 отверстий.

На машиностроительном заводе им. Ф. Э. Дзержин­ского (г. Баку) были проведены сравнительные стойко- стные испытания брусков из синтетических алмазов и обычных абразивных на операции хонингования ци­линдровых втулок (диаметром 43 мм) глубинного насо­са из закаленного чугуна СЧ 28-48 твердостью HRC
36—45. Результаты сравнительных испытаний показали, что стойкость комплекта алмазных брусков превышает стойкость абразивных в 200 раз при значительном улуч­шении геометрии обрабатываемых отверстий.

Кривые распределения овальности втулок до хо­нингования алмазными и абразивными брусками и после него представлены на рис. 2. До хонингова­ния количество годных втулок с овальностью не более 0,03 мм составляет 7%, а диапазон рассеива­ния овальности находит­ся в пределах 0,03—

• 07 мм. Процесс абра­зивного хонингования не­значительно улучшает геометрическую форму отверстий: количество

годных втулок 58%, диа­пазон рассеивания оваль­ности 0,01—0,06 мм. При алмазном хонинговании годные втулки составляют 94%, а диапазон рассеивания овальности 0,01—0,04 мм. При этом получено 94% втулок с овальностью до 0,03 мм и 6% с овальностью до 0,04 мм. Втулки, имеющие оваль­ность более 0,03 мм, требуют повторного хонингования.

Таким образом, замена абразивных брусков алмаз­ными увеличивает выпуск годных втулок после первого хонингования на 36%.

Металлографическое исследование обработанных по­верхностей чугунных втулок показало, что алмазное хонингование не снижает микротвердости поверхностно­го слоя и исключает появление микротрещин, что иног­да наблюдается при абразивном хонинговании.

Хонингование отверстий в деталях из закаленной, цементированной и азотированной сталей абразивными брусками является весьма трудоемкой операцией. Боль­шой износ брусков, нестабильность размеров обрабаты­ваемых отверстий, незначительный съем металла, час­тая переналадка станка для смены инструмента не поз­воляют добиться высокой производительности. Кроме
того, исправление геометрической формы отверстий при обработке абразивными брусками незначительное.

Внедрение алмазного хонингования отверстий шесте­рен сателлитов и раздаточной коробки (материал шесте­рен — сталь 25ХГТ закаленная, твердость HRC 60—65) на Брянском автомобильном заводе позволило в 3,5 ра­за повысить производительность труда на операции, в 30 раз сократить число переналадок при смене инстру­мента и значительно снизить расходы, связанные с его эксплуатацией. Стойкость одного комплекта алмазных брусков при этом составляет в среднем 1000 деталей, что в 30 раз выше стойкости абразивных брусков [6].

На машиностроительном заводе им. Ф. Э. Дзержин­ского внедрение алмазного хонингования стальных азо­тированных (сталь 38ХМЮА) втулок глубинных насо­сов позволило в 2,5 раза увеличить производительность труда на операции и значительно повысить точность гео­метрической формы отверстий.

Благодаря высоким технико-экономическим показа­телям алмазное хонингование позволило применить ак­тивный контроль и многостаночное обслуживание, со­кратить брак, резко уменьшить затраты времени на сме­ну брусков и стабилизировать процесс.