книги / Процессы обработки заготовок. Хонингование

Ширина (протяженность вдоль оси) конусной уплотнительной поверхности чаще всего составляет от 0,7 до 0,9 мм, шероховатость конусной уплотнительной поверхности Ra 0,16 мкм, а угол конусности 60° 5 .

Расположение узких конусных уплотнительных поверхностей во внутренних полостях корпусных деталей на достаточно большом расстоянии от торца горловины (от 275 до 465 мм) и незначительное превышение диаметральных размеров отверстия 1 относительно диаметральных размеров отверстия 4 (от 5 до 10 мм) создают дополнительные трудности при финишной обработке этих узких конусных уплотнительных поверхностей.

Обработку конусных уплотнительных поверхностей на ряде предприятий отрасли до настоящего времени производят вручную, конусными чугунными притирами, на поверхность которых ровным тонким слоем наносят алмазную пасту. Обработку производят последовательно пастами АСМ зернистостью М20/14, М14/10 и М7/5. Притиру сообщают возвратно-вращательные движения с плавным доворотом вокруг его оси.

После окончания обработки пастой очередной зернистости рабочую поверхность притира и обрабатываемую поверхность детали тщательно протирают чистой салфеткой, смоченной в бензине или этиловом спирте. На поверхность притира наносят пасту более мелкой зернистости, процесс обработки повторяют. После обработки пастой М7/5 поверхность притира и обработанную поверхность детали тщательно протирают.

Узкую конусную уплотнительную поверхность детали визуально контролируют на предмет отсутствия дефектов в виде рисок, забоин, надиров и снимают слепок для последующего определения шероховатости поверхности. Затем контролируют форму и размеры конусного уплотнительного пояска.

По технологии предприятий-изготовителей припуск под ручную доводку должен составлять от 0,1 до 0,15 мм на диаметр. При этом трудоемкость ручной доводки составляет порядка 2,5 часов, хотя имеют место отдельные случаи, когда припуск на ручную до-

101

водку составляет до 0,2 мм, что приводит к еще большему увеличению трудоемкости.

Для повышения производительности финишной обработки узких конусных уплотнительных поверхностей при обеспечении требований чертежа по параметрам точности (формы и размеров) и шероховатости поверхности наиболее целесообразно применять хонингование.

В качестве инструмента при хонинговании используют хонинговальные головки с рабочими элементами в виде хонинговальных (абразивных, эльборовых или алмазных) брусков.

Большинство разработанных конструкций хонинговальных головок предназначено для обработки цилиндрических отверстий. Значительно меньшее количество хонинговальных головок может быть использовано при обработке конусных уплотнительных поверхностей.

Хонинговальные бруски в этих хонинговальных головках устанавливают под углом к оси головки, соответствующим углу конусности обрабатываемой поверхности. В процессе обработки хонинговальным брускам необходимо сообщить вращательное движение вокруг оси хонинговальной головки и возвратно-поступа- тельное движение по образующей конуса. Кроме того, хонинговальным брускам (см. рис. 1.18) сообщают возвратно-поступатель- ное движение вдоль образующей конического отверстия, при этом характер возвратно-поступательного движения определяется формой паза (пазов) пространственного кулачка, имеющего равномерное вращательное движение. Однако жесткие требования конструкторской документации по точности и шероховатости поверхности узких конусных уплотнительных поверхностей в корпусных деталях атомных энергетических установок (Ду50, Ду65, Ду80) потребовали соответствующих конструктивных доработок.

Для обработки узких конусных уплотнительных поверхностей в корпусных деталях энергетических установок были спроектированы (рис. 4.2, а и рис. 4.2, б) и изготовлены специальные хонинговальные головки для обработки узких конусных уплотнительных поверхностей 50, 60 и 80.

102

Спроектированные и изготовленные хонинговальные головки были снабжены зубчатой передачей, ведомое конусное колесо которой выполнено с центральным отверстием. Внутри этого отверстия размещен несущий вал, жестко связанный с объемным кулачком. Объемный кулачок выполнен с несколькими пазами, благодаря чему каждый из хонинговальных брусков перемещается по траектории, отличной от траектории других хонинговальных брусков. Ведомое колесо жестко соединено с корпусом, в котором расположены направляющие хонинговальных брусков.

Рис. 4.2. Хонинговальныеголовкидляобработкиконусных уплотнительных поверхностей диаметром: а – 50; б – 80

103

Конструкция хонинговальных головок обеспечивает, при неподвижной верхней части корпуса и одностороннем направлении несущего вала, вращение нижней части корпуса совместно с хонинговальными брусками в сторону, противоположную направлению вращения объемного кулачка и движению хонинговальных брусков вдоль направляющей конусной поверхности. Поименованные выше особенности конструкции описываемых хонинговальных головок позволяют достичь неповторяемости следов обработки зерен хонинговальных брускови засчет этого повыситькачество иточность обработки.

В связи с достаточно большой массой (более 500 кг), сложностью изготовления и высокой стоимостью натурных деталей типа корпус с горловиной (рис. 4.1) эксперименты по отработке технологических режимов процесса хонингования проводились на специальных образцах, физически моделирующих узкие конусные уплотнительные поверхности в деталях арматуры энергетических установок водного транспорта.

Образцы (рис. 4.3) представляют собой корпус 1 из нержавеющей стали с наплавкой 2 из кобальтового стеллита В3К.

Рис. 4.3. Образцы для экспериментов по обработке конусных уплотнительных поверхностей 50 (а) и 80 (б)

104

Хонингование конусных уплотнительных поверхностей образцов производили на модернизированном вертикально-сверлильном

индустриального И-20А). СОТС в зону обработки подавали свободно падающей струей под давлением 0,06 МПа.

Исследование микротвердости поверхностного слоя конусных уплотнительных поверхностей, обработанных на разных режимах хонинговальными головками с брусками разных характеристик, не выявило существенных отличий от твердости поверхности до обработки.

Конусные уплотнительные поверхности контролировали до и после хонингования, а именно: определяли угол конусности, протяженность конусных уплотнительных поверхностей и шероховатость конусной поверхности.

Результаты контроля показали, что практически во всем исследуемом диапазоне угол конусности и протяженность конусных поверхностей соответствовали требованиям конструкторской документации (отклонение от номинального угла конусности 5 и от-

105

клонение от номинальной протяженности конусной поверхно-

сти +0,2 мм).

Шероховатость конусных поверхностей существенно изменялась в зависимости от зернистости и удельного давления хонинговальных брусков и от режимов резания.

Наибольшее влияние на величину шероховатости поверхности оказывает величина зерна хонинговальных брусков. Так, при скорости резания 25 м/мин (0,42 м/с) и удельном давлении хонинговальных брусков, равном 0,3 МПа, изменение величины зерна (по диагонали) от 200 до 1600 мкм приводит к увеличению шероховатости поверхности от 0,08 до 1,2 мкм по параметру Ra. При этом по мере увеличения размеров зерен происходит более интенсивное увеличение шероховатости.

Шероховатость поверхности в зависимости от удельного давления хонинговальных брусков изменяется аналогичным образом, но менее интенсивно. Зависимость изменения шероховатости поверхности от скорости резания имеет экстремальный характер. Увеличение скорости от 0,08 до 0,34 м/с приводит к незначительному увеличению шероховатости поверхности. Дальнейшее увеличение скорости резания влечет за собой существенное снижение шероховатости поверхности.

Анализ результатов хонингования образцов показал, что для обеспечения требований конструкторской документации (отклонение от номинального угла конусности 5 и отклонение от номинальной протяженности конусной поверхности +0,2 мм при шероховатости поверхности Ra 0,16 мкм) при высокой производительности хонингование следует вести за два перехода либо за две операции.

Предварительную обработку целесообразно производить хонинговальными алмазными брусками зернистостью 80/63 на металлической связке при скорости резания от 0,5 до 1,0 м/с и давлении хонинговальных брусков от 0,02 до 0,35 МПа. В качестве СОТС целесообразно использовать смесь керосина с маслом (85 % керосина и 15 % масла индустриального И-20А). При этом за 5–7 минут

106

хонингования достигается конусность, заданная конструкторской документацией (отклонение от номинального угла конусности 5 ), и шероховатость поверхности от 0,25 до 0,30 мкм по параметру Ra.

Окончательную обработку целесообразно производить алмазными эластичными брусками, например, на связке Р9 зернистостью 20/14 при скорости резания от 0,5 до 1,0 м/с и удельном давлении хонинговальных брусков от 0,05 до 0,2 МПа при использовании в качестве СОТС смеси керосина с маслом (85 % керосина и 15 % масла индустриального И-20А). После 5–7 минут хонингования шероховатость поверхности составляет от 0,09 до 0,12 мкм по параметру Ra при сохранении формы конусной поверхности (с отклонением от номинального угла конусности менее 5 ).

Производственные испытания на натурных деталях произ-

водили на модернизированном вертикально-сверлильном станке модели 2170 за два перехода.

На первом переходе обработку производили хонинговальной головкой с алмазными брусками зернистостью 80/63 на металлической связке.

Второй переход осуществляли той же головкой, заменив хонинговальные бруски на металлической связке алмазными брусками на эластичной связке Р9 зернистостью 20/14.

Хонингование на обоих переходах производили с применением в качестве СОТС смеси керосина (85 %) с маслом индустриальным И-20А (15 %) при подаче в зону обработки свободно падающей струей, под давлением 0,06 МПа, при одинаковых скорости резания (0,58 м/с) и удельном давлении брусков 0,2 МПа. Время хонингования на первом переходе составляло 7 минут, а на втором переходе – 5 минут.

Контроль узких конусных уплотнительных поверхностей в натурных деталях энергетических установок водного транспорта показал, что обработанные конусные поверхности соответствуют требованиям конструкторской документации, а именно: угол конусности составляет 60° 5 и протяженность конусных уплотнительных поверхностей 0,7+0,2 мм, при шероховатости поверхности менее 0,16 мкм по параметру Ra.

107

Следует отметить, что хонингование узких конусных уплотнительных поверхностей хонинговальными головками предлагаемой конструкции имеет три недостатка.

Во-первых, для хонингования каждого типоразмера конусов требуется своя хонинговальная головка, которой можно обрабатывать конусные поверхности только этого типоразмера.

Во-вторых, хонингование с жестким креплением хонинговальной головки на шпинделе станка требует применения для установки и крепления детали конструктивно достаточно сложного плавающего приспособления.

В-третьих, хонинговальная головка имеет хонинговальные бруски одной характеристики, а так как каждый из двух переходов должен производиться хонинговальными брусками разных характеристик, необходимо производить замену хонинговальных брусков одной характеристики хонинговальными брусками другой характеристики. Это создает определенные неудобства при эксплуатации хонинговальной головки и увеличивает трудоемкость обработки.

Однако даже с учетом поименованных выше недостатков применение хонингования взамен ручной доводки позволило повысить производительность обработки от 3 до 5 раз и обеспечить регламентированные конструкторской документацией отклонения от номинального угла конусности в пределах 5 и от номинальной протяженности конусной поверхности в пределах +0,2 мм, при шероховатости поверхности Ra 0,16 мкм.

В связи с этим хонинговальные головки, конструкция которых изображена на рис. 4.2, были рекомендованы для применения в серийном производстве.

4.2. Хонингование конусных отверстий большой протяженности

Общеизвестно, что хонингование позволяет получить достаточно высокую точность обработки (6-й квалитет) и низкую шероховатость поверхности (Ra 0,3 мкм). Однако большинство извест-

108

ных конструкций хонинговальных головок предназначены для обработки сквозных конусных отверстий относительно небольшой протяженности вдоль оси заготовки.

Финишную обработку сквозных глубоких конических отверстий больших габаритов (диаметром более 100 мм и протяженностью до 8000 мм) на машиностроительных заводах осуществляют после операции растачивания, как правило полированием, при помощи центробежных полировальных головок, что требует определенных навыков, большого внимания рабочего и не обеспечивает высокой точности и производительности обработки.

Можно осуществлять хонингование глубоких отверстий с протяженностью вдоль оси, значительно превышающей длину выпускаемой промышленностью хонинговальных брусков, хонинговальными головками, работающими с постоянным давлением хонинговальных брусков на обрабатываемую поверхность. Конструкция хонинговальной головки приведена на рис. 1.19, а принцип действия описан в п. 1.3. При работе на вертикально-хонинговальных станках, как правило, применяют однорядные хонинговальные головки. Обработку конусных отверстий большой протяженности (более 1500 мм) на горизонтально-хонинговальных станках, как правило, осуществляют двухили трехрядными хонинговальными головками.

Конструкции этих хонинговальных головок (см. рис. 1.19) достаточно просты, а хонинговальные головки удобны в эксплуатации. Следует отметить, что при поступательном движении хонинговальной головки в направлении вершины конуса отверстия усилие прижима хонинговального бруска к поверхности обработки будет больше, чем при движении в обратном направлении. Однако при углах конусности менее 20° это не приводит к заметному ухудшению качества обработки.

Основным недостатком хонингования хонинговальными головами этой конструкции является невозможность исправления погрешности формы отверстия, полученной на операциях, предшествующих хонингованию (невозможно исправить искривление оси

109

отверстия), и получения обработанного отверстия точнее 8-го квалитета точности.

В изделиях специального машиностроения достаточно широко применяют крупногабаритные детали с глубокими сквозными осевыми конусными отверстиями протяженностью более 1500 мм и диаметром более 300 мм, с конусностью порядка 1:400

Эти детали изготавливают из вязких высокопрочных сталей (38ХНМФА, 38ХН2МЮА и т.п.).

К сквозным осевым конусным отверстиям, выполняемым в таких деталях, предъявляют достаточно высокие требования по точности (не грубее 6-го квалитета точности), форме (овальность не более 3 мкм) и шероховатости поверхности (не более 0,3 мкм по параметру Ra).

Для интенсификации процесса обработки и повышения качества финишной обработки глубоких сквозных конических отверстий в заготовках больших габаритов было предложено применять хонингование на вертлюжных горизонтально-хонинговальных станках. При этом комплекту хонинговальных брусков необходимо сообщать вращательное движение вокруг оси обрабатываемого отверстия, возвратно-поступательное движение под углом, равным требуемому углу конуса обрабатываемого отверстия, и периодическую радиальную подачу на каждый двойной ход, обеспечивающую давление хонинговальных брусков на обрабатываемую поверхность отверстия заготовки.

Для реализации процесса хонингования глубоких сквозных конических отверстий на вертлюжных горизонтально-хонинговаль- ных станках была спроектирована и изготовлена показанная на рис. 4.5 установка. Эта установка, предназначенная для обработки сквозных конусных отверстий глубиной до 6000 мм и диаметром до 350 мм, состояла из хонинговальной головки со штангой, копира и механизма радиальной подачи брусков.

Хонинговальная головка представляет собой цилиндрический корпус 16 с осевым отверстием, в радиальных пазах которого расположены колодки11 схонинговальнымибрусками 12 и толкатели13.

110