Шлифование металла

Шлифование — самый приятный этап производства. После этой операции металлическая заготовка преображается в законченную деталь: становится ровной и гладкой, без дефектов и острых углов.

Какие инструменты и расходники понадобятся для шлифования? Какие этапы технологии не стоит нарушать при шлифовке? Расскажем в статье.

Как происходит шлифование металла

Главная задача шлифования — выравнивание поверхности до гладкого состояния. Для этого стачивается верхний слой металла с помощью шлифовальных инструментов с абразивными насадками. В качестве таких насадок выступают, как правило, круги, покрытые прочным составом с включенными в него минеральными абразивами.

Абразивные частицы придают кругу зернистость. В зависимости от размера частиц, зернистость может быть большей или меньшей степени.

Абразивы с крупной зернистостью срезают верхний слой быстрее и оставляют после шлифования ровную, но не идеально гладкую поверхность.

Абразивы с мелкой зернистостью удаляют более тонкий слой металла, на эту работу уходит больше времени, но поверхность получается гладкой.

Шлифование происходит, когда абразивный круг начинает вращаться на большой скорости и минеральные частицы, обладающие острыми краями, срезают тонкий поверхностный слой металла. Частички абразива рассыпаны по площади круга в случайном порядке и следовательно их режущие кромки имеют разную форму и направление. Однако действуя одновременно, каждая грань снимает с металла мельчайшую стружку и вносит свой вклад в образование ровной поверхности.

Шлифование металла происходит на больших скоростях. Абразивный круг движется со скоростью 50 метров в секунду и выше. Для сравнения: токарные станки раскручивают деталь в 20-30 раз медленнее. Зато электричества при этом токарные станки потребляют в 10 раз меньше, чем шлифмашинки.

Скорость шлифования надо сопоставлять с твердостью обрабатываемого металла. Если металл мягкий, верхний слой снимается очень быстро. При этом требуется быть крайне внимательным, чтобы вовремя остановить шлифование, не срезать лишнее и не запороть деталь.

Метод шлифования подходит для обработки большого перечня металлов и сплавов. Назовем самые распространенные: железо, цинк, медь, латунь, чугун, алюминий, бронза, различные виды стали.

Итак, процесс шлифования держится на принципе трения: в поверхность металла впиваются тысячи абразивных частиц при соприкосновении с шлифовальным кругом. Вследствие трения на высоких скоростях происходит нагрев металла порой до тысячи с лишним градусов Цельсия. При такой температуре металл утрачивает свои свойства и приобретает новые. Например, теряет прочность и повышает хрупкость. Чтобы избежать нежелательной трансформации свойств металла, надо следить за бесперебойной работой системы охлаждения.

Несмотря на то, что абразивные минералы прикреплены к диску прочным цементирующим составом, во время интенсивной работы они постепенно облетают, образуя пустоты, которые забиваются пылью. Одновременно с этим тупятся режущие кромки абразива. И со временем работа круга становится неэффективной. Тогда его меняют на новый. Круги относятся к расходным материалам.

Для чего шлифуют детали

Шлифование — этап изготовления металлической детали. До шлифовки изделие может подвергаться ковке, штамповке, литью и пр. Все перечисленные операции оставляют на металле след в виде царапин, напаек, заусенец, окалин, сколов, выпуклостей и пр. Шлифовка позволяет выровнять поверхность и подготовить ее к заключительным производственным этапам (например, к полировке или покраске).

Но кроме главного назначения, шлифование преследует еще ряд задач:

• Подгонка размеров детали. Металлическую деталь в черновом варианте изготавливают с припусками для дальнейшей подгонки с помощью шлифования. Удаляя поверхностный слой мелкоабразивными расходниками, мастер может выверить размер детали до микрометров.
• Обработка кромок детали. С помощью шлифования мастер устраняет излишне острые грани детали, обтачивая и закругляя их.
• Затачивание кромок детали. Метод шлифования подойдет и для тех металлических изделий, где требуется заточка граней.
• Уменьшение силы трения. За счет идеально гладкой поверхности металла можно снизить трение о них деталей-компаньонов, а это актуально для таких изделий, как шестеренки, подшипники и пр.
• Удаление старого покрытия. Шлифовка поможет быстро избавиться от лакокрасочного покрытия, которое начало разрушаться и требует обновления.
• Регулировка гладкости. Не для всех деталей нужна идеально гладкая поверхность. Наоборот, часто требуется создать сцепление между металлическими элементами за счет шероховатой поверхности. Добиться такого эффекта помогает шлифование с абразивными материалами крупной или средней зернистости.

Станки и машинки для шлифования

Какое оборудование требуется для шлифования металла? Все зависит от производственных задач, их объема, геометрии и размера деталей, веса детали и других параметров.

Для работ малого объема, которые не требуют соблюдения высокой точности, подойдет ручной инструмент.

Для работ среднего объема и незначительной продолжительности годятся переносные станки.

Для крупносерийного производства с деталями крупного габарита справятся только стационарные заводские станки.

При этом станки могут настраиваться автоматически. С помощью числового программного управления (ЧПУ) вводятся параметры операций (скорость и глубина шлифования, время и пр.). Далее станки осуществляют процесс без участия человека.

Полуавтоматические станки частично автоматизируют процессы, но оператор отслеживает их выполнение и при отклонении от заданной нормы вносит изменения.

По набору опций станки можно разделить на универсальные и специальные. Благодаря набору насадок и вариативности настроек, универсальные станки могут выполнять шлифование в разных плоскостях и справляться с разными задачами. Специализированные станки настроены на выполнение одной опции, но в большом количестве повторов.

В некоторых ситуациях целесообразно использовать для шлифования токарный, фрезерный или сверлильный станки. Они пригодятся для выполнения ответственных задач с требованием повышенной точности, шлифовки внутренних диаметров, работы в труднодоступных местах, подготовки отверстий.

Перечислим некоторые виды шлифовальных станков:

Подсказки мастера:

• При работе за шлифовальным станком следите за отведением стружки. Если это не происходит автоматически, делайте остановки для очищения рабочего места от металлических отходов.
• Чтобы предотвратить брак при шлифовании (легко различаемые круги, полосы в виде царапин), мастер должен равномерно двигать заготовку в разных направлениях и плоскостях. Удобно это сделать, когда перемещается рабочая часть станка.
• Чтобы увеличить четкость реза, увеличьте скорость шлифования.

Виды шлифования

В зависимости от формы поверхности, структуры металла, объема работ выбирают тот или иной вид шлифования.

Шлифовка плоской поверхности — самый простой вид шлифования. Его можно осуществить в домашних условиях, имея электродрель и подобранные под конкретную задачу абразивные круги. Для более качественного шлифования в быту можно воспользоваться углошлифовальной машиной. При этом не забывайте охлаждать зону трения водой, но лучше — специальным охлаждающим составом.

На производстве для шлифования плоской поверхности используют более мощные станки. Детали на них закрепляются на плоской рабочей поверхности с помощью магнитов или фиксаторов. Возвратно-поступательные движения абразивного круга осуществляют шлифование.

Плоские поверхности можно шлифовать периферией или торцом круга.

Для периферийного шлифования нужны абразивные круги с прямым профилем (высоту и диаметр подбирайте в зависимости от оборудования и задачи).

Для торцевого шлифования применяют круги чашечной, тарельчатой, конической формы и др. Торцевой способ позволяет снять глубокий поверхностный слой.

Круглое наружное шлифование позволяет выравнивать наружную поверхность цилиндрических или конических металлических деталей. Такую операцию можно выполнить на универсальном или круглошлифовальном станке.

Заготовку зажимают в патрон станка, вращающийся абразивный круг осуществляет срез при продольной, поперечной и комбинированной подаче. Заготовка при этом также совершает вращательные движения.

Круглое внутреннее шлифование производит обработку глухих и сквозных отверстий. Абразивный круг подбирают таким образом, чтобы его диаметр был немного меньше отверстия. Твердость абразивного материала должна быть меньше, чем при наружной шлифовке.

Выбранный абразив помещается внутри отверстия. Шлифовальный круг работает на высоких скоростях с обязательным охлаждением. Во время операции заготовка может находиться как в статичном положении, так и вращаться вокруг оси.

Подача осуществляется продольным, поперечным и планетарным способом.

Шлифование зубчатых элементов предполагает использование специального зубошлифовального станка. Заготовки с зубцами типа шестеренок шлифуются в зависимости от геометрии детали несколькими способами.

Процесс зубошлифовки сопряжен с некоторыми трудностями, если после закалки зубцы приобретают повышенную твердость.

Бесцентровое шлифование заметно отличается от других способом крепления заготовки. Деталь зажимается не с помощью шпинделя, а между лезвием и двумя кругами (регулировочным и шлифовальным).

Ленточное шлифование осуществляется с помощью замкнутой в круг абразивной ленты. Таким образом можно выполнить первичное и финишное шлифование.

Абразивные ленты устанавливаются на ручные инструменты, а также на стационарные станки. То есть ленточное шлифование широко применяется как в бытовых, так и в промышленных условиях.

С помощью ленточного шлифования возможно обработать плоскую поверхность, а также поверхности сложной геометрии.

Этот способ подходит для шлифования мягких металлов.

Резьбовое шлифование применяется для формирования как внутренней, так и внешней резьбы. Канавки нарезаются благодаря кругу, профиль которого повторяет форму резьбы.

Координатное шлифование помогает добиться высокой точности в размерах деталей. Настройка параметров происходит по заданным оператором координатам. Заготовка может состоять из уступов, ярусов, сквозных отверстий, углублений.

Режимы шлифования

Качество шлифования на станках во многом определяется выбором режима, который должен учитывать следующие параметры:

• степень гладкости, который требуется получить в процессе обработки,
• требования к точности,
• степень твердости обрабатываемого металла,
• форма и площадь заготовки.

Под эти параметры подбирается абразивный материал и его характеристики также учитываются при выборе режима (а именно — зернистость, форма режущих кромок абразива, твердость). Диаметр круга, как правило, выбирается максимальный для конкретного станка.

Опытные мастера при выборе режима принимают во внимание возможность смещения детали, а также сразу определяются с направлением подачи, которая будет эффективна для каждого конкретного случая.

Выбор скорости — важный этап настройки режима. Не всегда она должна быть максимальной. Главное — стабильной.

На выбор скорости влияют свойства обрабатываемого металла. В автоматизированных станках достаточно ввести название металла, сплава или марку стали, как машина сама предложит скорость. Однако в других случаях придется выбрать скоростной режим по инструкции к станку или в справочнике.

Помните, что высокоскоростной режим шлифования вызывает сильную вибрационную нагрузку, которая сокращает срок службы станка и увеличивает количество расходников.

Глубина реза при черновом шлифовании выставляется максимальная, однако с учетом припусков.

А вот при финальной шлифовке глубина резания уменьшается. Также следует внимательно отнестись к выбору глубины при подгонке заготовки до точных размеров.

Прочность и твердость металла требует устанавливать меньшую глубину реза. Так вы сможете снизить мощность станка, соответственно снизится и потребление электричества.

Продольная подача требует внимания к ширине контакта абразивного круга с заготовкой. Она не должна превышать 0,9 доли. Если нарушить это условие, поверхность зашлифуется не вся или будет выглядеть неоднородно.

Шлифовка в рамках производственного процесса

Шлифование — это финальная или одна из финальных операций. Но что предшествует этому?

Начинается производство детали с литья, штамповки, ковки, резания.

Далее заготовку точат в черновом варианте (с припусками), а затем в чистовом (с точностью размеров и форм).

С помощью фрезерования металлическая заготовка приобретает детализацию элементов.

Термическая или термохимическая обработка усиливает прочность и повышает твердость изделия. Для этого выполняют отжиг, закалку.

Если на этом этапе обнаруживаются изъяны и повреждения, их устраняют либо железной щеткой (ржавчину или окалину), либо смывают растворителем и обезжиривателем (масляные пятна), либо выправляют с помощью фрезерования (большие бугры, царапины, вмятины пр.).

Если поверхность заготовки в целом отвечает стандарту, приступают к шлифованию.

Маркировка и характеристики абразивных насадок

Шлифование во многом зависит от грамотно подобранного абразивного материала. Подробнее поговорим о его характеристиках и возможностях.

Абразив — это мелкие частицы минералов (в виде крошки или порошка), которые прикреплены к основе связующим составом. В качестве основы для нанесения абразива выступают чаще всего круги, но возможны и другие варианты — лист (текстиль или бумага), лента, вал.

В роли абразива может быть использована крошка натуральных минералов (алмаз, гранат). Но свойства природных минералов могут варьироваться в широком диапазоне. Такая нестабильность приводит к проблемам. Поэтому мастера предпочитают иметь дело с абразивами из искусственных материалов.

Синтезируемые абразивы обладают высокой износостойкостью, хорошо переносят механические и термические нагрузки. Разновидностей искусственных минералов много, назовем некоторые.

Связующий состав для крепления минеральной крошки изготавливают в трех разновидностях: керамическая, бакелитовая или вулканитовая связка.

Структура круга определяется количеством минерального абразива.

• Плотная структура (обозначение 1, 2, 3 или 4)
• средняя структура (обозначается 5, 6 или 7)
• открытая структура (обозначается 8, 9 или 10)
• высокопористая структура (обозначается 11 или 12)

Профиль круга. Форма круга важна для выбора той или иной работы. Профили могут быть следующими (в скобках сокращенное маркировочное обозначение):

• прямой (ПП)
• кольцевой (К)
• цилиндрические чашки (ЧЦ)
• с односторонней выточкой (ПВ)
• с двусторонней выточкой (ПВД)
• конические чашки (ЧК)
• тарельчатые (Т, 1Т)

и другие.

Твердость абразива указывает, насколько прочно крошка держится на круге, насколько долго она будет удерживаться в процессе шлифования. Шкала твердости выглядит так:

Зернистость — параметр, указывающий на размер зерна (кристалла минерала) на абразивном круге. Эта частица мала и измеряется в микронах.

По международному стандарту, зернистость маркируется буквой F и последующими цифрами (чем больше цифра, тем мельче размер зерна).

Например, круги F14-F22 имеют крупную зернистость и предназначены для обдирочных работ, чернового выравнивания деталей после литья, шлифования швов и пр.

Круги F280, F320, F360, F400 служат для тонкого шлифования, дают очень гладкую поверхность и корректируют размер деталей до точности 3-5 мкм.

Диаметр круга и посадочного отверстия. Тот и другой диаметр подбирается, в первую очередь, исходя из технических характеристик инструмента.

Круги и другие абразивные материалы изготовляются в соответствии со стандартами ГОСТ и ТУ.