Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

МЕТОДЫ ХОНИНГОВАНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ОТВЕРСТИЙ

Муратов К.Р. 1 Гашев Е.А. 1
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Проведен анализ траекторий движения режущих зерен, при хонинговании показавший, что, чем разнообразнее и сложнее траектория движения, тем полнее используется режущая способность инструмента, интенсифицируется процесс резания и тем лучше условия для получения требуемых параметров шероховатости и точности геометрической формы обрабатываемых поверхностей. К недостаткам традиционной кинематики хонингования следует отнести неравномерность пути контакта брусков по длине обрабатываемого отверстия, что приводит к неравномерности съема металла, износа брусков и является причиной снижения точности обработки. Проведенные сравнительные эксперименты методов хонингования отличающихся траекторией рабочего движения инструмента (традиционное и «растровое») показали эффективность «растрового» метода хонингования: по производительности съема «растровое» хонингование выше в 1,5-1,8 раза, чем хонингование с традиционной кинематикой. При этом в зоне рабочих давлений Р=0,3-0,8 МПа относительный износ брусков ∆ас/∆мет практически одинаков. При прочих равных условиях растровое хонингование обеспечивает снижение шероховатости обработанной поверхности в 1,5-2 раза.
шероховатость обработанной поверхности
производительность
традиционное хонингование
Растровое
1 Затуловский Д.М., Ходырев В.И. Процесс вибрационного хонингования в зоне звуковых частот //Станки и инструмент. – 1968. - №6. – С. 19-21.
2. Исаков А.Э. Хонингование с дозированной подачей и оборудование для его реализации. // Хонингование цилиндрических и фасонных поверхностей. – Пермь, 1988. – С. 64-67.
3. Кравченко Б.А., Нерубай М.С., Старков Ю.В. Алмазное хонингование с применением ультразвуковых колебаний //Алмазы. – 1983. - №8. – С. 23-26.
4. Кремень З.И., Стратиевский И.Х. Хонингование и суперфиниширование деталей. – Л.: Машиностроение, 1988. – С. 137.
5. Кудояров Р.Г. Точность деталей машин при алмазном хонинговании. – М.: Изд-во МАИ, 2002. – С. 170.
6. Куликов С.И., Ризванов Ф.Ф. и др. Прогрессивные методы хонингования. – М.; Машиностроение, 1983. – С. 135.
7. Левин Б.Г., Пятов Я.Л. Алмазное хонингование отверстий. – Л.: Машиностроение, 1969. – С. 112.
8. Марков А.И., Ермак П.А. Ультразвуковое алмазное хонингование сталей. Тезисы докладов международного семинара «Сверхтвердые материалы». – Том 2. – Киев, 1981. – С. 37-46.
9. Муратов Р.А. Муратов К.Р. Механизм разжима хонинговальных брусков с переменным давлением по длине заготовки // СТИН. – 2007. - №2. – С. 11-13.
10. Муратов К.Р. Повышение эффективности финишной абразивной обработки внутренних цилиндрических поверхностей методом растрового хонингования: дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук / Пермский государственный технический университет. – Пермь, 2010.
11. Подураев В.Н., Суворов А.А., Карпов В.И. Алмазное вибрационное хонингование отверстий в стальных закаленных деталях. – В сб.: Синтетические алмазы в промышленности. – Киев: Наукова думка, 1974. – С. 56-64.
12. Ризванов Ф.Ф. Проектирование механизмов осцилляции хонинговальных станков // Станки и инструмент. – 1971. - №8. – С. 19-21.
13. Фрагин И.Е. Новое в хонинговании. – М.: Машиностроение, 1980. – С. 96.
14. А.с. № 378313. Б.И. №19. М., 1973. Устройство для сообщения колебательного движения хонинговальной головке / Воробьев И.К., Давыдов П.А., Сандалов А.В.

Хонингование – это сложный механический процесс удаления припуска с обрабатывающей поверхности посредством массового динамического воздействия абразивных зерен, базирующихся на рабочей поверхности – брусков в закрепленном состоянии, на поверхностный слой обрабатываемой детали при их относительном перемещении под нагрузкой [4, 7]. При этом хонингование сопровождается, как правило, обильной подачей в зону контактирования смазочно-охлаждающей жидкости, чем обеспечивается удаление продуктов износа, снижение силы трения и температуры в зоне контакта и улучшение условий микрорезания металла абразивными зернами.

По кинематическому признаку методы хонингования делятся на две основные группы:

а) традиционный метод хонингования;

б) вибрационные методы хонингования.

Основные выходные параметры процесса хонингования – это качественные показатели, характеризующиеся точностью геометрической формы и шероховатостью обработанной поверхностью, а также производительность обработки и стойкость брусков [2, 9, 13].

Материалы и методы исследования

Традиционный метод хонингования наиболее распространен в России, так как большинство хонинговальных станков, выпускающихся как у нас, так и за рубежом не снабжены механизмами осцилляции инструмента. При традиционном методе хонингования траектория рабочего движения инструмента образуется в результате вращения и возвратно-поступательного движения вдоль оси обрабатываемой детали [13]. Такая кинематика обуславливает типичную для традиционного хонингования сетку следов обработки в виде пересекающихся винтовых линий рис. 1.

Единственным параметром траектории, позволяющим в какой-то мере варьировать количественные и качественные показатели процесса, является угол скрещивания следов обработки 2α, зависящий от соотношения скоростей вращения VКР и скорости возвратно-поступательного движения VОС .

Скорость резания V является геометрической суммой скоростей вращения и возвратно-поступательного движения инструмента

;

Рис. 1. Траектория рабочего движения инструмента при традиционной схеме хонингования

При повторных ходах возможно совпадение или смещение фаз положений брусков. Это зависит от размера брусков, их количества и от соотношения скоростей вращательного и возвратно-поступательного движений [5].

Другим направлением совершенствования процесса хонингования является усложнение траектории относительного движения инструмента и детали. Установлено, что сложное рабочее движение интенсифицирует процесс резания, способствует повышению производительности и точности обработки и создает условия для управления формированием требуемого микрорельефа обработанной поверхности. Известны различные схемы вибрационного хонингования, в которых усложнение траектории осуществляется путем наложения на основные движения дополнительных колебательных движений. Различают схемы вибрационного хонингования с осевой осцилляцией, с круговой, с радиальной и с комбинированной осцилляцией инструмента [6]. По сравнению с традиционным хонингованием, виброхонингование с осевой осцилляцией позволяет существенно увеличить производительность процесса в 1,5-2 раза это связывают с увеличением частоты и амплитуды колебаний инструмента [1, 11]. Интенсивность износа брусков при этом также увеличивается, но в меньшей мере, чем съем металла. Положительным является также то, что при виброхонинговании съем металла носит незатухающий характер и со временем изменяется незначительно, особенно при ультразвуковых колебаниях [3, 8]. При вибрационном хонинговании, как с круговыми, так и с осевыми колебаниями, различают два вида траекторий: однонаправленные, при которых скорость основного движения больше максимальной скорости колебания и разнонаправленной, когда скорость колебаний больше скорости основного движения [12]. Разнонаправленная траектория при круговой осцилляции, развернутая на плоскость, показана на рис. 2 (а).

а) б)

Рис. 2. Траектория движения режущих зерен:

а) при вибрационном хонинговании; б) при вихревом хонинговании.

Траекторию движения абразивного зерна при вибрационном хонинговании, развернутую на плоскость можно выразить параметрическими управлениями:

для осевой осцилляции:

для круговой осцилляции: ,

где t – время;

А, В – амплитуды соответственно круговых и осевых колебаний;

w – круговая частота колебаний;

VКР – скорость вращения инструмента;

VОС – скорость поступательного движения инструмента.

Развитием вибрационного хонингования является метод вихревого хонингования, разработанной в Рижском техническом университете [14] (рис. 2 б). Основное отличие от предыдущих методов заключается в том, что инструменту одновременно сообщаются осевые и круговые колебания с одинаковыми частотами. Параметрические уравнения, описывающие траекторию рабочего движения инструмента при вихревом методе хонингования, имеют вид:

Таким образом, как при вихревом, так и при вибрационном хонинговании значительно усложняется траектория рабочего движения инструмента. Это позволяет более полно использовать режущую способность инструмента, уменьшить длину срезаемой стружки, повысить производительность и стабильность процесса хонингования. Кроме того, изменяя соотношения скоростей, а также амплитуду и частоту колебаний, можно варьировать конфигурацию траектории. Однако в силу ограниченных возможностей кинематики эти методы хонингования не располагают необходимым комплексом управляющих воздействий для обеспечения требуемой точности геометрической формы и шероховатости обрабатываемых поверхностей.

Дальнейшим развитием хонингования является «растровый» метод хонингования, разработанный в ПНИПУ. Создан опытный образец хонинговального станка для обработки отверстий диаметром до 70 мм, который позволяет осуществлять два способа хонингования; традиционный и «растровый» [10].

Схема элементарных движений при «растровом» хонинговании цилиндрических поверхностей приведена на рис. 3. «Растровая» траектория рабочего движения, развернутая на плоскость, показана на рис. 4. Принципиальное отличие процесса хонингования с «растровой» кинематикой от традиционного и вибрационных методов заключается в том, что главное движение резания есть результат комбинации двух синусоидальных колебаний с различными частотами ω1, ω2. (ω1>ω2) и амплитудами А и В во взаимно перпендикулярных направлениях – круговых 1 и осевых 2. Для равномерного распределения образующейся сетки (растра) 3 по всей обрабатываемой цилиндрической поверхности инструменту дополнительно сообщаются возвратно-поступательное VОС и вращательное VКР движения с малыми скоростями, которые представляют собой соответственно осевую (SOC) и круговую (SKP) подачи инструмента.

Таким образом, при «растровом» хонинговании траектория 4 рабочего движения режущих зерен образуется в результате комбинации четырех движений и представляет собой «растровую» траекторию 3 растянутую в направлении винтовой линии 5. Такую результирующую кривую можно условно назвать «растровой циклоидой».

Хон головка 2

Рис. 3. Растровая траектория рабочего движения инструмента

Траектория рабочего движения и её составляющие

Рис. 4. Схема элементарных движений  инструмента при растровом хонинговании

Параметрические уравнения, описывающие траекторию рабочего движения инструмента при «растровом» методе хонингования, имеют вид:

где φ0 – начальный сдвиг фаз.

Проведены сравнительные исследования для хонингования с «растровой» и традиционной кинематикой. Для обеспечения идентичных условий все эксперименты проводились на одном оборудовании при одинаковых режимах обработки: Тхон– 2 мин.; Vрез – 28 м/мин.; 2α – 55 град.; Р= 0.1-1 МПа; СОЖ- 70% керосина, 30% масло «Индустриальное».

Результаты исследования и их обсуждение

Сравнительные исследования проводились на образцах диаметром 38 мм, длиной 140 мм из стали ЗОХГСА (HRс 32…37), одним комплектом брусков АС680/63-М5-07-1. Значение исходной шероховатости поддерживалось постоянной. Результаты экспериментов представлены на рис. 5 (а, б).

Результаты исследований показали преимущество хонингования с «растровой» траекторией; при меньшей шероховатости обработанной поверхности, производительность процесса в 1,5-2 раза выше, чем при традиционном методе хонингования. При этом в зоне рабочих давлений Р=0,3-0,8 мПа относительный износ брусков ∆ас/∆мет практически одинаков (рис. 5 а).

Установлено, что весь диапазон исследуемых давлений можно разделить на три зоны. Первая область, где давления меньше 0,2 МПа, внедрение алмазных зерен в обрабатываемую поверхность весьма мало и недостаточно для осуществления резания. Поверхность формируется за счет износа вследствие многократных пластических деформаций. Вторая зона средних давлений (от 0,2 до 0,8 МПа). Нагрузка воспринимается как алмазными зернами, так и связкой и достаточна для осуществления микрорезания. Эту зону можно назвать рабочей зоной. При дальнейшем увеличении давления происходит интенсивный износ брусков и переход от резания закрепленными зернами к резанию свободным абразивом.

7 

Рис. 5. Сравнительные исследования методов хонингования:

а) относительный износ брусков при различных методах  хонингования и давлении брусков.

б) влияние метода хонингования на  производительность и  шероховатость   обработанной поверхности.

Это приводит к скачкообразному росту производительности и шероховатости обработанной поверхности. Эта область при работе алмазными брусками нежелательна (рис. 5 б).

Рассмотренные три области имеют место при традиционном и при «растровом» хонинговании, однако процесс резания при «растровом» методе начинается при значительно меньших давлениях, чем при традиционном, вследствие разнонаправленного характера движения инструмента исключается явление «засаливания» брусков и повышается интенсивность их самозатачивания. Это благоприятно сказывается при окончательной обработке высокоточных деталей из сырых и вязких материалов. При растровом хонинговании явление «засаливание» отсутствует даже при обработке мелкозернистыми брусками. Так при хонинговании образцов из стали ШХ15 брусками АСМ10-М2-01-4 стабильно обеспечивалось шероховатость обработанной поверхности RZ = 0,1-0,05 мкм без видимых следов обработки.

Выводы

1. Проведенный анализ показал, что чем разнообразнее и сложнее траектория движения режущих зерен, тем полнее используется режущая способность инструмента, интенсифицируется процесс резания и тем лучше условия для получения требуемых параметров шероховатости и точности геометрической формы обрабатываемых поверхностей.

2. К недостаткам традиционной кинематики следует отнести неравномерность пути контакта брусков по длине обрабатываемого отверстия, что приводит к неравномерности съема металла, износа брусков и является причиной снижения точности обработки.

3. Одним из направлений совершенствования финишной абразивной обработки точных отверстий является создание и разработка новых методов хонингования имеющих широкие кинематические возможности по управлению точностью и качеством обработки.

4. Проведенные сравнительные эксперименты методов хонингования, отличающихся траекторией рабочего движения инструмента (традиционное и «растровое»), показали эффективность «растрового» метода хонингования: по производительности съема «растровое» хонингование выше в 1,5-1,8 раза, чем хонингование с традиционной кинематикой. При этом в зоне рабочих давлений Р=0,3-0,8 МПа относительный износ брусков ∆ас/∆мет практически одинаков.

5. При прочих равных условиях, «растровое» хонингование обеспечивает снижение шероховатости обработанной поверхности в 1,5-2 раза.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки по государственному заданию (базовая часть) №2014/152, НИР № 1460.

Рецензенты:

Ханов А.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «МТ и КМ» МТФ, ПНИПУ, г. Пермь;

Симонов Ю.Н., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «МТО», ПНИПУ, г. Пермь.


Библиографическая ссылка

Муратов К.Р., Гашев Е.А. МЕТОДЫ ХОНИНГОВАНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ОТВЕРСТИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=15259 (дата обращения: 18.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252