ШАБРЕНИЕ:

Влияние технологии изготовления базовых деталей станков на точность обработки

Серебреницкий П. П.

СТАНИНЫ и НАПРАВЛЯЮЩИЕ.

Несущую систему станка образует совокупность его элементов, через которые замыкаются силы, возникающие между инструментом и заготовкой в процессе резания. К основным элементам несущей системы станка относятся станина и корпусные детали (колонны, поперечины, хоботы, ползуны, плиты, столы, суппорты и т.п.).

Станина служит для монтажа деталей и узлов станка, относительно нее ориентируются и перемещаются подвижные детали и узлы. Станина, как и другие элементы несущей системы, должна обеспечивать в течение срока службы станка возможность обработки заготовок с заданными режимами и точностью. Это достигается правильным выбором конструкции, материала станины и технологии ее изготовления для обеспечения необходимой жесткости, виброустойчивости, износостойкости направляющих и, естественно, для заданной точности взаимного перемещения элементов станка.

Большинство станин и других базовых элементов станков изготовляют из серого чугуна методом литья [в РФ марки серого чугуна: СЧ 15, СЧ 20, СЧ 30 (льётся при t0 = 1500 – 2000 0С, состоит из чешуй графита, которые гасят колебания)]

Как правило, направляющие станин и других сопрягаемых с ними элементов имею плоскую форму (но могут и другую) и взаимное перемещение одного элемента относительно другого происходит при взаимодействии и контакте как минимум двух плоскостей.

Технология обработки станин и других элементов станков достаточно сложна (особенно станин, имеющих, обычно, большие длины) и включает ряд операций, которые обеспечивают не только заданные формы и параметры точности, но и характеристики поверхностного слоя, одной из важных которых является полученная шероховатость. Обеспечение этой характеристики возлагается (это зависит от уровня производства станкостроительного завода) на завершающие операции обработки рассматриваемых элементов, такие как строгание, чистовое фрезерование, плоское шлифование, притирка и (на особо передовых заводах) на операцию ШАБРЕНИЕ.

ШЕРОХОВАТОСТЬ и ВОЛНИСТОСТЬ.

Шероховатость поверхности (в технике РФ) определяют параметрами RaRz и Rmax, с определенной базовой длиной. Так при возможной шероховатости Rz= 0.4 мкм (Ra= 0,080 мкм) базовая длина определена стандартом в 0, 25 мм. (На этой длине определяется величина шероховатости Rz как средняя абсолютных значений пяти наибольших выступов и пяти наибольших впадин).
При этом средний шаг Sm микронеровности составляет примерно 0,040 – 0,060 мм (40 – 60 мкм).
Считается, что отношение шага микронеровности (шероховатости) 
Sк ее высоте Rz практически всегда менее 50, то есть S/Rz< 50.

Но при борьбе станкостроителей за снижение параметров шероховатости почему-то часто забывают о еще существующей микронеровности поверхности, которая называется ВОЛНИСТОСТЬ.

Волнистость – элементарное отклонение поверхности любой формы с периодически чередующимися возвышениями и впадинами с шагом, превышающим длину учаcтка измерения шероховатости (и естественно шаг микронеровностей) в несколько раз.  

Рис 1.
Шероховатость и волнистость поверхности: 
Rz – высота микронеровностей (шероховатость); 
– шаг микронеровностей; 
Wi – высота волны; 
Si – шаг волны

шероховатость и волнистость поверхности

Таким образом после мехобработки обработки, поверхность представлена совокупностью микронеровностей с высотой Rz и волнами с высотой Wi (см. Рис.1).
Если взять среднюю линию микронеровностей, то можно поверхность представить практически волнообразной с высотой волны Wi и шагом Swi (см. Рис 2).

Рис 2.
Волнистость и ее параметры:
– высота 
Wi,
– шаг 
Swi,
– базовая длина 
lw

волнистость поверхности и ее параметры

В отличии от шероховатости  отношение шага волнистости Swi к ее высоте Wi находится в пределах от 50 до 1000 и более, то есть  Swi/Wi> 50….1000. Волнистость определяют и по среднеарифметической высоте Wz, определенной на длине участка lw  по пяти наибольшим шагам волнистости. Кстати, по отношению шага неровности к ее высоте и отделяют явление шероховатость от волнистости.

ВОЛНИСТОСТЬ И ТЕХНОЛОГИЯ.

Волнистость практически сопутствует всем операциям механической обработки. Так на практике получаются следующие средние данные:

  • скоростное фрезерование – высота волны 1,4…6,0 мкм;  шаг волны – 1,5…5,2 мм;
  • плоское шлифование –  высота волны 1,1…3,9 мкм;  шаг волны – 1,1…4,8 мм;
  • притирка –  высота волны 0,75…2,0 мкм;  шаг волны – 0,9…4,0 мм.
  • строгание –  высота волны 1,0…3,5 мкм;  шаг волны – 1,3…4,0 мм;

Образование волнистости при обработке зависит от ряда факторов. Указывается, что чаще всего  волнистость имеет синусоидальный характер, что является следствием колебаний в системе станок—приспособление—инструмент—деталь, возникающих из-за неравномер­ности сил резания, наличия неуравновешенных масс, погрешностей привода, вибростойкости станка, контактной жесткости между базовой направляющей и подвижным элементом, ошибок в системах управления, тепловых деформаций и т. п.

Естественно, на образование волнистости существенно влияет общая изношенность используемого для обработки оборудования.

 

ВОЛНИСТОСТЬ и ТОЧНОСТЬ работы станка с ЧПУ

Система управления и станок с ЧПУ прежде всего определяют точное размерное перемещение инструмента относительно обрабатываемой заготовки, обеспечивая изготовление детали с заданной точностью. Из множества факторов, влияющих на точность работы станка, рассмотрим всего один – как влияет волнистость базовых поверхностей на точность работы станка.

Предположим, что базовая направляющая станка и плоскость перемещающегося элемента, например, каретки, имеют определенную волнистость и стыкуются плоскостным контактом . Имеются масса доказательств, что такой контакт резко снижает вибростойкость станка, но рассмотрим только вопросы геометрии перемещения рабочего органа, кстати, играющие не последнюю роль в точности работы станка.

Рис 3.
Возможный сдвиг сопрягаемых элементов станка из-за избыточной волнистости.

 

Представим, что на чугунную станину, на посадочные плоскости с избыточной волнистостью устнавливается, например, колонна или кройштейн, на посадочных поверхностях которых также избыточная волнистость. При установке несущие базовые элементы займут свои места. Однако, после сборки, под нагрузкой, через какое-то время гребни волн одной поверхности будут смещаться так, чтобы  полностью или частично попасть в провалы волн сопряженной поверхности. В результате получится сдвиг или перекос в положении одного элемента относительно другого. Небольшой сдвиг, на половину шага волн паралельно сопряженным плоскостям, т.е. максимально на 1 – 2 мм. Если поверхности не ШАБРИЛИ, а ШЛИФОВАЛИ. Реально такие смещения еще меньше, но происходят они как по высоте (до 3,9 мкм!), так и в разных направлениях параллельно сопряженным плоскостям. Безусловно, возникают напряжения по всем контактирующим плоскостям. Собранные несущие конструкции со временем как бы перекашивает. Немного: всего лишь на сотки или даже микроны. Но для электроэрозионных станков, на которых эти самые микроны ловят, такие смещения часто выливаются в недопустимую потерю точности.

Но проблема становится более серьезной, когда на шлифованную чугунную плоскость с избыточной волнистостью ставится линейная направляющая, по которой после сборки ездят каретки стола или колонны. Под нагрузкой, через годы, направляющая сместится, причем на разных участках по длине различно: где-то просядет на высоту волны, где-то сместится в сторону на половину длины волны на чугуне, где-то – в другую сторону. В результате, демонстрирующий достаточную точность после запуска станок, быстро эту точность потеряет! Печально, но это уже и не гарантийный случай! Продавец всегда может сослаться на недопустимые условия эксплуатации и надумать массы других “уважительных” причин. И это неизбежно случается, если посадочные плоскости на чугунной станине не ШАБРИЛИ, а ШЛИФОВАЛИ!

Отметим: смещения несущих базовых элементов, случаются не сразу, под нагрузкой, со временем, возможно за несколько лет. Но тем, кто дорогой станок эксплуатирует, и уже включил станок в технологическую цепочку своего производства, от отсрочки может стать даже проблемнее!

Операция дорогая, потому что ручная и очень длительная. И серьезные станкостроители идут на использование этой операции, на большие затраты, потому что она единственная, которая в определенной мере УСТРАНЯЕТ ВОЛНИСТОСТЬ базовых направляющих плоскостей. ШАБРЕНИЕ – обязательный технологический процесс после фрезерования. Только шабрением убираются волны на поверхностях, как побочный результат фрезерования или другой операции.

Шабрение позволяет обеспечить точность  (отклонение от плоскостности) направляющих в пределах 2 мкм на 1000 мм длины. 

Шабрение производится обычно по эталонной поверхности шабровочной линейки или плиты. Для определения выступающих точек контакта обрабатываемой поверхности направляющих с эталонной на обрабатываемую поверхность наносят тонкий слой краски (эталонную покрывают краской и проводят по обрабатываемой поверхности). 

Глубина резания при предварительном шабрении может достигать 0,04 мм (40 мкм), при окончательном — менее 5…8 мкм. При окончательном шабрении необходимо обеспечить требуемое число точек контакта на площади квадрата размером 25 25 мм. Чем больше точек контакта, тем выше точность. 

ручное шабрение на заводе Sodick

Рис 4.
Ручное шабрение на одном из зааводом Sodick.
 

Требуемое число точек контакта задается требованиями точности к обрабатываемой поверхности.. Для станков нормальной точности на направляющих требуется обычно обеспечить до 20 точек в квадрате 25 x 25 мм, для станков более высоких классов точности (П, В, А) — 25 … 30 точек.

Хорошо обрабатывается шабрением серый чугун твердостью до НВ 220. Стальные направляющие и чугунные твердостью НВ > 220 шабрятся неудовлетворительно. Высота микронеровностей обработанной поверхности при ручном ШАБРЕНИИ— до 1…3 мкм. ВОЛНИСТОСТЬ при этом практически РАЗМЫВАЕТСЯ.

Затраты времени на шабрение зависят от площади обрабатываемой поверхности, длины, формы, погрешностей предварительной обработки, марки и твердости обрабатываемого материала.

Так, при чистовом шабрении плоских чугунных направляющих шириной 150 мм требуется 4 ч на каждый метр длины, при доводочном шабрении расходуется в 7…8 раз больше времени для достижения 30 точек контакта на поверхности 25x25 мм.

В недалеком прошлом шабрение было практически обязательным технологически процессом на всех станкостроительных заводах во всем мире. Везде, где в качестве несущих конструкций используется литые чугунные детали.

Однако, ШАБРЕНИЕ – ПРОЦЕСС ДОРОГОЙ!

Поэтому ряд станкостроительных производств отказалось от шабрения. Чтобы сократить производственные расходы, увеличить прибыль шабрение заменили шлифованием. Ну что ж, каждому свое. И производителю станков – и пользователю.

К сожалению, операции шлифования имеют ряд существенных недостатков, но это уже другая тема.

ШЛИФОВАНИЕ чугуна ОСТАВЛЯЕТ на базовых плоскостях не только ВОЛНИСТОСТЬ, но и внутренние напряжения под  поверхностью, а также микротрещины, прижеги. Кроме того, поверхность чугуна насыщается (“шаржируется“) абразивной микропылью, что вскоре вызывает коррозию.

  • Энциклопедия по машиностроению XXL (https://mash-xxl.info/info/506065/)
  • Серебреницкий П. П. Краткий справочник технолога – машиностроителя, СПб, изд. “Политехника”, 2007, 952 с.
  • Станины и направляющие – Металлорежущие станки (www.tops100.ru/metall/staniny-i-napravlyayushhie/)
  • Влияние вибраций на волнистость обрабатываемой поверхности при фрезеровании (sbornik.college.ks.ua/downloads/sbornik3_8/pdf/301.pdf)
  • Гузеев, В.И. Прогнозирование точности и качества при проектировании технологических процессов механической обработки [Электронный ресурс]: электронное учебное пособие / В.И. Гузеев, Г.И. Буторин, В.Ю. Шамин. – Электрон. текст. дан. (1,94 Мб). – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2013.
  • Серебреницкий П. П. Современные электроэрозионные технологии и оборудование, СПб, изд. ЛАНЬ, 2013, 350 с.
  • Учебное пособие по ТСС, Гомельский ГТУ им. П.О.Сухого (https://studfiles.net/preview/3106577/)–