Способы ремонта направляющих станков

Ремонт направляющих производят различными способами, например: шабрением, опиливанием с последующим шабрением, строганием с последующим шабрением, фрезерованием, финиш­ным строганием, шлифованием.

При выборе способа ремонта руководствуются величиной износа и тем, насколько предприятие оснащено специальным оборудованием и приспособлениями.

Шабрением ремонтируют направляющие станины при износах менее 0,1 мм. Этим способом достигают высокой геометрической точности направляющих, а также высокой точности контакта сопрягаемых поверхностей порядка 25—30 пятен на площади квадрата 26x25 мм. Однако шабрение даже при минимальном износе — операция весьма трудоемкая и дорогостоящая, поэтому шабрение следует всегда заменять механической обработкой.

Механическую обработку направляющих в подавляющем боль­шинстве случаев производят на продольно-строгальных станках, оснащенных специальными шлифовальными и фрезерными при­способлениями. Предпочтительнее применять специализирован­ные шлифовальные или фрезерные станки, приспособленные для обработки направляющих. Для направляющих станин шлифо­вание — наиболее распространенный вид окончательной обра­ботки, а также единственный метод обработки при ремонте зака­ленных направляющих. Шлифование периферией круга с охла­ждением постепенно вытесняет шлифование торцом круга вслед­ствие повышения производительности на. 30—40%, повышения точности и улучшения качества поверхности.

Исследования влияния различных методов отделочной обра­ботки незакаленных направляющих станин, проведенные ЭНИМС и авторами, показали, что способы отделочной обработки обоих элементов трущейся пары (станины и каретки суппорта) существенно влияют на изнашивание, особенно в период при­работки.

Основные недостатки существующих способов обработки направляющих станин следующие.

Шабрение

1. Неоднородность образующейся поверхности по числу пятен, приходящихся на единицу площади, а также неоднородность по высоте создаваемых выступов и впадин.

2. Низкая производительность и высокая трудоемкость операции шабрения, выполняемой практически во всех случаях вручную.

3. Использование рабочих высокой квалификации.

Шлифование

1. Образование неоптимальной шероховатости поверхности (выступы и впадины заостренной формы с малым углом закругления), отличающейся малой маслоемкостью.

2. Образование дефектного поверхностного слоя, вследствие выделяющегося при резании большого количества тепла.

Чистовое строгание и фрезерование

1. Образование неоптимального в отношении маслоемкости поверхности микрорельефа. Малый объем смазочных канавок при создании высококачественной, поверхности (шероховатости выше 7—8-го класса) и недостаточная несущая поверхность при более грубой обработке.

2. Необходимость во всех случаях с целью оптимизации маслоёмкости применения после операции чистового строгания или фрезерования трудоемкой операции по нанесению «мороза» (декоративного шабрения).

Все вышеперечисленные недостатки определяют невысокую износостойкость и, как следствие, малую долговечность направляющих, плохую их прирабатываемость (образование задиров, большой первоначальный износ), а в отдельных случаях и явления схватывания. Вследствие этого необходима термическая обработка направляющих станин металлорежущих станков как при их изготовлении, так и при их восстановлении в процессе ремонта.

ОБРАЗОВАНИЕ РЕГУЛЯРНЫХ МИКРОРЕЛЬЕФОВ НА ДЕТАЛЯХ

И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

Поверхность любой детали никогда не бывает абсолютно гладкой, она всегда в той или иной степени шероховата. От степени шероховатости многое зависит в жизни деталей. Ведь шероховатости первыми вступают в борьбу с трением, смятием, принимают на себя удар другого твердого тела, удар волн жидкости, пара или газа.

Международный стандарт и ГОСТ 2789—59 определяют шеро­ховатость поверхности как «... совокупность неровностей, обра­зующих рельеф поверхности и рассматриваемых в пределах уча­стка, на котором исключается влияние, других видов неровно­стей».

Стандарт охватывает шероховатости высотой от 320 мкм (по­верхности отливок, штамповок, а также поверхности, образую­щиеся после газовой резки) до сотых долей микрометра (поверх­ности измерительных калибров, мерительных плиток и др.).

Практически нет ни одного эксплуатационного свойства дета­лей машин, которое в той или иной мере не зависело бы от шеро­ховатости поверхности. Но каковы эти зависимости? Какой должна быть шероховатость поверхности, чтобы наилучшим образом сопротивляться износу, трению, обеспечивать прочность, герме­тичность и многие другие свойства, которые, в свою очередь, оп­ределяют качество машин?

При эксплуатации и ремонте деталей машин и механизмов приходится иметь дело с зависимостями, когда одинаково плохи как слишком шероховатые, так и чрезмерно гладкие поверхности.

К сожалению, до сих пор многие работники промышленности, когда речь идет о трущихся со смазкой поверхностях, считают, что чем меньше шероховатости, тем лучше. Добиваться получе­ния чрезмерно гладких поверхностей деталей не только неже­лательно из-за дополнительных затрат, но в большинстве случаев просто недопустимо: такие поверхности не удов­летворяют эксплуатационным требованиям.

Экспериментами установлено, что для получения хороших характеристик работы необходимо, чтобы сами трущиеся поверх­ности имели резервуары для удержания смазывающих веществ, так называемые масляные карманы. Роль этих карманов и выпол­няют впадины микрорельефа, образованные неровностями по­верхности — ее шероховатостями.

Поверхность с большими по высоте неровностями (карманы велики) удерживает достаточно масла, но ее несущая способность (способность воспринимать нагрузки) незначительна, ведь с со­прягаемой поверхностью контактирует лишь небольшое число имеющихся выступов. Возникают значительные удельные давления, поверхность сильно изнашивается.

У поверхностей с большим числом малых по высоте неровно­стей, наоборот, несущая способность велика, но масляные кар­маны малы, значит, недостаточно смазки, и в результате — снова ускоренный износ.

Вот почему для каждых конкретных усло­вий эксплуатации нужна своя оптимальная шероховатость.

Несущая способность поверхности, и емкость ее карманов, удерживающих смазку, находятся в большой зависимости от формы неровностей.

Поверхность с неровностями заостренной формы контактирует с другой поверхностью лишь по малым площадкам, в результате чего удельные давления и, следовательно, смятие или износ неровностей велики (особенно в первый период работы сопрягаемых деталей). Поверхность с такими же по высоте, но плоскими неровностями контактирует с другой поверхностью по большим площадкам, удельное давление оказывается значительно меньше.

Обратная зависимость для маслоемкости: она велика у поверхности с заостренными неровностями и ничтожно мала у поверхности с притуплёнными неровностями при одинаковой их высоте.

Размер и форма неровностей — взаимосвязанные характеристики поверхности. Поэтому при улучшении эксплуатационных свойств той или иной детали надо учитывать оба эти параметра поверхностей.

Можно ли управлять шероховатостью, т. е. создавать желаемый по размерам и форме неровностей микрорельеф поверхности с помощью традиционных методов обработки? При обработке плоских и призматических поверхностей направляющих станин металлорежущих станков его можно создать путем фрезерования, финишного строгания и шлифования.

Все эти операции основаны на резании. В процессе такой обработки (резцом, фрезой или абразивным зерном шлифовального круга) из массы материала вырываются частицы различных величины и формы. На поверхности остаются борозды, канавки, разных глубины и формы, которые и образуют микрорельеф шерохова­тости поверхности. Даже при самом тонком резании выступы и впадины, весьма сильно различаются между собой по форме и размерам.

Способы чистовой обработки резанием малоуправляемы и в отношении такой весьма важной характеристики поверхности, как расположение на ней неровностей относительно друг друга и относительно направления движения поверхности, которая будет с ней сопряжена в работе. Происходит это потому, что ассор­тимент рисунков микрорельефа, получающихся при обработке резанием, крайне небогат: неровности располагаются по винто­вой линии (точение, шлифование), вдоль оси (протягивание) или в виде сетки (хонингование; при этом процессе хонинговальная головка с абразивными брусками совершает сложное движение: возвратно-поступательное и вращательное).

В результате анализа причин неуправляемости размерами и формой шероховатостей стало ясно, что создание нового способа обработки должно идти, во-первых, по пути замены резания дав­лением, при котором образуется микрорельеф с относительно одинаковыми по форме и размерам неровностями, и, во-вторых, по пути усложнения кинематики процесса.

Было предложено обрабатывать цилиндрическую поверхность, обкатывая ее колеблющимся шаром. В результате траектория его движения представляет собой винтовую синусоиду — синусо­идальную кривую, наложенную на винтовую линию. И это, каза­лось бы, не столь существенное изменение кинематики извест­ного и давно применяемого процесса дало качественно новый эффект.

Новый способ, названный вибрационным обкатыванием, был создан в Ленинградском институте точной механики и оптики под руководством д-ра техн. наук проф. Ю. Г. Шнейдера.

Сущность виброобкатывания состоит в том, что за счет слож­ного относительного перемещения заготовки и инструмента на поверхностях выдавливаются шариком (или алмазным наконеч­ником) регулярно расположенные канавки, при этом между ними сохраняется старый или создается полностью новый микрорельеф; по форме и расположению неровности виброобкатанной поверх­ности существенно отличаются от неровностей, образующихся при резании.

Создание на трущихся поверхностях деталей системы канавок позволяет оптимизировать площадь контакта сопряженных де­талей и маслоемкость их поверхностей. В результате значительно повышается износостойкость деталей.

Способ виброобкатывания универсален: изменяя скорости и соотношения скоростей движения обрабатываемой детали и ин­струмента, можно образовать различные виды микрорельефов.

Уменьшая подачу s, можно сделать так, чтобы канавки касались друг друга, если еще уменьшить подачу, канавки будут пересе­каться, и, наконец, еще большее уменьшение подачи может при­вести к тому, что канавки сольются, образуя совершенно новый микрорельеф.

Меняя соотношения скоростей движения обрабатываемой детали и шара виброголовки, можно создавать микрорельеф с выступами и впадинами необходимой формы и расположения, например с радиусами скругления в тысячи раз большими, чем максимально достижимые при обточке, строгании, шлифовании и доводке.

Появляется возможность управлять процессом образования микрорельефа на поверхностях деталей, весьма тонко и практически в неограниченных пределах изменяя все его параметры, и благодаря этому создавать оптимальные для тех или иных условий эксплуатации микрорельефы.

Исходными для виброобкатывания являются поверхности после какого-либо способа обработки детали, который выбирается в соответствии с требуемой точностью. Виброобкатывание при­менимо для обработки деталей любой твердости. Форма и габариты обрабатываемых поверхностей неограничены.

ВИБРООБКАТЫВАНИЕ НАПРАВЛЯЮЩИХ СТАНИН

МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Простота процесса виброобкатывания делает его доступным для любого вида производства, в том числе для ремонтного. Для установления оптимальных режимов обработки при виброобкатывании направляющих станин металлорежущих станков авто­рами были проведены исследования.

Исследование поверхностей направляющих станин металлорежущих станков, обработанных виброобкатыванием, имеет ряд трудностей, вызванных тем, что при этом методе обработки может быть получено практически неограниченное количество микрорельефов. Характер микрорельефа определяется регулируемыми параметрами режимов обработки. Прежде всего, может меняться диаметр шарика виброобработки, изменяться в заданных пределах давление на шарик, меняться траектория движения шарика на плоскости. Характер траектории движения шарика определяется параметрами режима работы вибрационной головки и величинами подач заготовки.

Большое количество параметров, которые могут регули­роваться и оказывать влияние на режимы виброобкатывания, создает разнообразие рисунков траекторий движения Шарика.

Было определено оптимальное давление на шарик 30 кгс, при котором микротвердость имеет наибольшее значение Н — 460 кг/мм².

При виброобкатывании каленых направляющих обычные шарики заменяются алмазными.

Исследования позволили сделать следующие выводы.

1. Микрорельеф рабочих поверхностей, обработанных шабре­нием, весьма далек от оптимального в отношении как маслоемкости, так и рациональных величин опорной (несущей) поверх­ности. Недостатком обработки шабрением направляющих станин металлорежущих станков является также высокая степень неоднородности размеров, расположения и числа пятен на единицу поверхности, что в сочетании с высокой трудоемкостью и необходимостью использования ручного высококвалифицированного труда делает этот процесс несовершенным и бесперспективным.

2. Способ вибрационного обкатывания, отличающийся возмож­ностью образования значительно более тонкого регулируемого и более однородного микрорельефа, обеспечивает возможность оптимизации микрорельефа направляющих поверхностей в отношении их маслоемкости.

Создание методом виброобкатывания на направляющих стани­нах системы масляных канавок приводит к увеличению маслоемкости и улучшению всех эксплуатационных характеристик, уменьшению коэффициента трения и момента трогания, повышению износостойкости и сопротивления схватыванию.

3. Высокая степень однородности всех геометрических характеристик, образующихся при виброобкатывании микрорельефа, и управляемость ими обеспечивают (практически впервые) возможность аналитического расчета таких важных параметров микрогеометрии, как площадь и объем масляных канавок.

4. Оптимальное значение площади выдавливаемых виброобкатыванием канавок F_к = 4550%.

5. Оптимальными парами трения являются направляющие станин, обработанные чистовым строганием с последующим виброобкатыванием (Р = 30 кгс; V — 630800 мм/мин; диаметр шарика — 6 мм; n = 700 об/мин), и направляющие каретки суппорта, обработанные шабрением или залитые акрилопластом.

В этом случае обеспечивается уменьшение коэффициента трения до f = 0,1, уменьшение момента трогания на 38%, повышение износостойкости на 35—40% и практически полное исключение опасности схватывания как в процессе приработки, так и при нормальном изнашивании.