Подписка
Автор: 
В. К. Ермолаев

Введение

Главный тренд развития машиностроения в XXI веке — повышение точности изготовления деталей. Он естественно окрашивает общий фон эволюции индустриального общества и определяет развитие и требования в том числе к методам шлифования, станкам и инструментам. Тенденция повышения точности была впервые количественно определена в работах японского физика Норио Танигучи (Norio Taniguchi), предложившего термин «нанотехнологии». Свои исследования Танигучи начинал в области высокоточной абразивной обработки твердых и хрупких материалов [1]. Taniguchi разделил все процессы размерной обработки на обычную, прецизионную и ультрапрецизионную обработку. Его зависимости описывают изменение точности этих видов обработки в ХХ веке по временной шкале.
Из представленных в работе [1] зависимостей изменения во времени достижимой точности обработки изделий следует, что скорость изменения точности практически одинакова, а сама точность при разных видах обработки отличается на порядок.
Ученые МГТУ «СТАНКИН» [2], основываясь на работах Taniguchi, составили прогноз для различных видов обработки по требуемой к 2020 году допустимой суммарной погрешности, состоящей из систематической и случайной составляющих (таблица 1).

Таблица 1
Вид обработки Суммарная погрешность обработки к 2020 году, мкм
Нормальная 0,1
Точная 0,03
Прецизионная ≥0,003
Ультрапрецизионная ≤0,3нм

Следует отметить, что сегодняшняя обрабатывающая промышленность отчаянно ищет альтернативы шлифованию. Среди процессов, которыми пытаются заменить шлифование, — обработка инструментами из поликристаллического алмаза (PCD) и поликристаллического нитрида бора (PCBN), использование твердых сплавов с износостойкими покрытиями и др. И тем не менее, механическая обработка путем шлифования остается и будет пока оставаться важным и часто незаменимым методом финишной обработки. Это особенно относится к деталям из материалов, которые трудно обрабатывать.
Все вышесказанное приводит к необходимости еще раз остановиться на вопросах при выборе, изготовлении и эксплуатации режущего инструмента при шлифовании с учетом изложенного.

Показатели качества ШК

Качество шлифовальных кругов (ШК), рассматриваемое как степень соответствия свойств изделия требованиям потребителя, формируется на всех этапах создания и применения этих изделий:
• проектирования
• изготовления
• эксплуатации.

Требования при проектировании ШК

Отечественные предприятия, а также дилеры и дистрибьюторы зарубежных компаний производителей ШК создают рынок, который насчитывает десятки тысяч типоразмеров абразивных инструментов, отличающихся как по форме и размерам, так и по характеристикам. Поэтому в процессе создания технологических процессов абразивной обработки деталей проектирование абразивного инструмента практически сводится к выбору его типовых форм и размеров, а также определению оптимальных характеристик в соответствии с условиями эксплуатации.
Казалось бы, в технической литературе и периодике достаточно рекомендаций по выбору характеристик режущего инструмента, т. е. шлифовальных кругов (ШК), использующихся при различных видах шлифования. Однако ужесточаются технические требования к параметрам детали, появляются новые стали, сплавы, керамические и другие материалы, которые должны подвергаться шлифованию. Кроме того, улучшаются абразивные материалы и технологии изготовления инструментов. Совершенствуется сам процесс шлифования, возникают новые, комбинированные методы абразивной обработки (лат. abrasio — соскабливание). Существенно возросла производительность резания при шлифовании и прогнозируется ее дальнейшее увеличение, что позволяет этому процессу выйти за пределы статуса финишного или отделочного и стать основным методом удаления металла в некоторых технологиях обработки деталей [3, 4]. Кроме того, применение комбинированной, многоинструментальной обработки позволяет иметь на станке (обрабатывающем центре) разные по характеристикам круги и совмещать операции по большому съему и получению точности и качества обрабатываемых деталей [5].
Принципиальным моментом при определении рациональной характеристики ШК является выбор абразива. Каждый абразивный материал занимает свою нишу в механической обработке. Важным в применении того или иного абразива является отсутствие химического взаимодействия абразива с обрабатываемым материалом.
Ниже в таблице 2 приведены рекомендации по применению различных абразивов и суперабразивов (алмаз и кубический нитрид бора — КНБ) при шлифовании разнообразных материалов. Алмаз и КНБ организованы существенно сложнее обычных абразивов, обладают высокими режущими свойствами, износостойкостью, обеспечивают более высокий коэффициент шлифования и именно поэтому называются суперабразивами. За счет достаточно сложной технологии изготовления они намного дороже, чем обычные абразивы, но более экономичны для многих вариантов применения по двум причинам. Первая — высокая износостойкость. Вторая — увеличенный срок службы, который позволяет уменьшить машинное время и снизить затраты на обработку.

Рис. 1. Изменение твердости абразивных материалов в зависимости от роста температуры [6].

Твердость большинства абразивов уменьшается с ростом температуры. Отсюда вытекает необходимость рационализации выбора характеристики инструмента, режимов резания, а также способов и объемов подачи СОЖ. Исключением является SiO2, который переходит в более твердую структуру при высоких температурах. Типичные изменения твердости по Виккерсу абразивных материалов показаны на рис. 1. Самым твердым абразивом является алмаз, за которым следует КНБ.
Шаги по дальнейшему выбору параметров ШК представлены в таблице 3. В ней собраны показатели, которыми необходимо руководствоваться при выборе каждого элемента характеристики ШК.
Таким образом качество проектирования (выбора характеристики) ШК состоит в технической обоснованности подбора каждого параметра характеристики ШК с учетом конструктивно-технологических особенностей станка, физических свойств обрабатываемого материала и рационального протекания процесса шлифования с получением на выходе требуемой производительности и качества обработки.

Требования к изготовлению ШК

ГОСТ Р 52781–2007 устанавливает параметры точности абразивного инструмента. Стандарт определяет предельные отклонения размеров и допуски на радиальное и торцовое биения ШК. Круги, работающие периферией, правятся по этой поверхности, и, таким образом, радиальное биение уменьшается до ноля. Отклонения в размерах кругов также не влияют на эксплуатационные показатели работы круга.
При оценке качества ШК на этапе изготовления по параметру точности важно обратить внимание в первую очередь на отличия в требованиях отечественной и зарубежной нормативной документации к торцевому биению суперабразивных кругов как инструментов, обеспечивающих высокое качество на дорогостоящих операциях шлифования. Из таблицы 4, где сравниваются показатели точности по ГОСТ Р с рекомендованными зарубежным справочником по обработке шлифовальными кругами [7], видно, что требования отечественного стандарта к торцевому биению кругов ниже в 4–40 раз по сравнению с зарубежными данными, и круги, изготовленные по этому ГОСТ Р, будут худшего качества. Необходимо периодическое обновление нормативных документов. Естественно, производителям шлифовальных кругов не следует ждать изменения стандарта, целесообразно вводить внутрифирменные ужесточенные нормы точности подобные тем, которые существовали 25–30 лет назад, когда значения параметров по внутризаводским нормативам были на 15–30% ниже стандартных.

Вследствие погрешностей формы, а также из-за неоднородности структуры ШК имеют некоторую неуравновешенность массы. Неуравновешенность шлифовальных кругов обусловлена несовпадением центра масс с центром вращения. Неуравновешенность круга приводит к появлению вибраций и, как следствие, к ухудшению качества обрабатываемой поверхности детали, появлению огранки, волнистости и прижогов.
Достаточно часто в практике (рис. 2) используется понятие дисбаланса абразивного инструмента, под которым в соответствии с ГОСТ 21445–84 понимают векторную величину, равную произведению неуравновешенной массы на величину смещения оси отверстия от номинального расположения. Вектор дисбаланса перпендикулярен к оси абразивного инструмента, проходит через центр неуравновешенной массы и вращается вместе с абразивным инструментом. Дисбаланс в шлифовальных кругах может быть статическим или динамическим.
В несбалансированном круге при его работе возрастают внутренние напряжения, что может привести к разрыву круга, соответственно, к поломке механизмов станка и нанести вред оператору. Поэтому обязательным этапом подготовки шлифовального круга к работе является его балансировка. В ГОСТ 3060–86 значения допустимых неуравновешенных масс шлифовальных кругов классифицируются в зависимости от номера структуры, типа связки и формы круга. По величине этой массы отечественные стандарты устанавливают четыре класса неуравновешенности ШК. Наименьшую неуравновешенность массы имеют круги 1 класса.

Рис. 2. Виды дисбаланса шлифовального круга

В таблице 5 представлены минимальные значения из всего поля нормируемых характеристик кругов по ГОСТ 3060–86 и по японскому стандарту JIS B4131–98. Несмотря на то, что сравнение с японским стандартом выполнено с некоторой привилегией отечественному стандарту, можно отметить два обстоятельства. Первое — допустимые значения дисбаланса кругов одного диаметра по отечественному стандарту имеют значительный разброс, связанный с увеличивающейся шириной круга. Второе — средние допустимые значения дисбаланса для кругов одного диаметра по отечественному стандарту на порядок больше, допустимых отклонений по японскому нормативному документу.
Формирование дисбаланса происходит по всей технологической цепочке изготовления ШК. Величина дисбаланса определяется составом абразивной массы, порядком и схемой смешивания ее исходных компонентов, условиями формования и прежде всего выравнивания массы в пресс-форме, принятой технологией механической обработки всех поверхностей абразивного инструмента и точностью их формообразования [8]. Температурный режим и условия нагрева при высокотемпературном обжиге, как и нарушения в технологии, также могут влиять на колебание плотности и ее разброс в объеме абразивного инструмента. Неуравновешенность круга принято считать одним из основных комплексных показателей качества изготовления абразивных кругов.
Т. о. выполнение требований потребителей к качеству при изготовлении ШК определяется практической технологией производства, техническими возможностями и состоянием оборудования, квалификацией персонала и соответствием фактических значений неуравновешенности ШК значениям, заложенным в нормативных документах.

Требования к эксплуатации ШК

Показатели качества ШК при эксплуатации должны определять степень пригодности инструмента для выполнения операции шлифования. Эти показатели разработаны в результате лабораторных и производственных испытаний инструмента, и т. к. данная задача достаточно наукоемка, всего насчитывают более 30 различных эксплуатационных критериев работоспособности шлифовального круга. В работе [9] эти показатели определяют на специально созданном комплексе испытательного оборудования для проведения стендовых испытаний ШК и построения технологического эксплуатационного паспорта. Следует отметить, что подобная практика, безусловно, была бы полезна, однако она может привести к удорожанию инструмента, а кроме того, на стенде трудно повторить многообразие условий работы ШК — параметры жесткости приспособлений, узлов станка, схем и объемов подачи СОЖ, номенклатуру технологических операций и т. д.
С другой стороны, действующий в настоящее время ГОСТ 4.349–85 устанавливает номенклатуру показателей качества абразивного инструмента, а в ГОСТ 21445–84 приведен целый ряд показателей надежности абразивного инструмента, которые также характеризуют работоспособность ШК.
В практике наиболее распространенными эксплуатационными показателями ШК являются требования чертежа обрабатываемой детали, при ограничении: выполнении этих требований в период стойкости инструмента. В целом в практических целях технологи определяют качество ШК на реальном станке, предназначенном для проведения конкретной операции, по четырем критериям обеспечения: требуемой чертежом точности, качеству обработанной поверхности, производительности и себестоимости обработки.

Экономический критерий выбора

Сравнение экономической эффективности применения на одной операции различных по характеристикам ШК следует производить не по цене инструментов, а по себестоимости обработки этими инструментами деталей. Таким образом, сравниваются относительные расходы на инструмент (на операцию, переход), в которых учитывается и цена, и стойкость инструментов. И при принятии решения о заказе того или иного инструмента необходимо исходить из максимально возможного уменьшения себестоимости изготовления деталей. Экономия средств при применении дешевого инструмента может привести к существенному перерасходу средств при производстве деталей.
По общемировой практике, в частности данным компаний Mitsubishi Materials Corporation и Daimler AG, а предприятия России по экономическому укладу не являются исключением, доля затрат на инструмент в себестоимости изготовления деталей (при механообработке), как правило, не превышает 3–5%.
Возможны два варианта снижения себестоимости обработки и увеличения прибыли: первый — снижение затрат (относительных расходов) на инструмент; второй — повышение производительности благодаря более высоким технологическим возможностям предлагаемого инструмента.
В 80–90‑е годы прошлого века существовала методика ЭНИМСа, которая позволяла рассчитать экономический эффект от применения инструментов, способствующих получению изделий более высокой точности и, следовательно, имеющих больший ресурс по долговечности. Данное обстоятельство также следует учитывать.
По данным авторитетнейшей на американском рынке абразивных инструментов фирмы Norton, входящей в транснациональную корпорацию Saint-Gobain, в среднем затраты на абразивные инструменты составляют лишь около 3% себестоимости конечного изделия.
Таким образом можно видеть, что доля затрат на инструмент, как лезвийный, так и абразивный, в себестоимости обработки детали практически одинаковы.
В соответствии с рекомендациями Norton по применению различных видов ШК снижение цены инструмента на 30% приведет к сокращению расходов лишь на 1%. Увеличение срока службы абразивного инструмента даже на 50% уменьшит затраты на одну деталь на 1%. Однако повышение производительности обработки, например процесса зубошлифования колеса, на 20% приведет к снижению общей стоимости детали более чем 15%.
Наибольшая экономическая эффективность производительного абразивного инструмента проявляется при работе на современном дорогостоящем оборудовании при большой трудоемкости обработки деталей на предприятиях с высокими затратами на производство.
На предприятиях с относительно невысокими затратами на производство и недостаточно стабильной загрузкой при использовании современных качественных абразивных инструментов значительную роль при оценке экономической эффективности при внедрении инструментов играет стойкость и стоимость инструментов.

Положение дел на рынке ШК.

Согласно интернет-ресурсу WikiProm — современной энциклопедии промышленности России, в нашей стране насчитывается 17 работающих абразивных заводов, производящих разнообразную абразивную продукцию. Как правило, существующие абразивные заводы — это сравнительно небольшие предприятия. Для сравнения, абразивная отрасль США состоит из примерно 300 компаний с совокупным годовым доходом приблизительно в 4 млрд долларов, как указывается в пресс-релизе «Исследования и рынки» (Research and Markets). В соответствии с этим исследованием мировой рынок абразивов растет параллельно глобальному росту машиностроения, автомобильной промышленности и металлообработки. Согласно оценкам доклада темп роста мирового рынка абразивных материалов в среднем составляет 5,5% в год в период между 2013 и 2019 гг., и сможет достичь оценки в $51 389,7 млн. к концу 2019 года (рис. 3).

Рис.3. Глобальный рынок абразивов в период 2012-2019 гг.

 


Критериями, стимулирующими приобретение отечественного инструмента, должны являться качество, сроки поставки, цена и логистика. До апробирования абразивного инструмента качество продукции может определяться по наличию и неформальному действию сертифицированной по международным стандартам системы менеджмента качества (СМК). По регулярным проверкам оборудования и соответствия его фактических технических характеристик, паспортным. По разборам случаев нарушения технологии и контроля производства, по корректирующим и предупреждающим мерам воздействия на бизнес-процессы. По внедрению новых технологических процессов производства инструмента и участию в НИР. По отзывам потребителей о работе инструмента. Наконец, по объему поставок продукции на экспорт в развитые в промышленном отношении страны.
Импорт абразивного инструмента осуществлялся главным образом из Германии, Китая, Украины, Италии, Кореи, Польши, Австрии, Швейцарии, США, Словении. Только в области производства и экспорта шлифовальных кругов из искусственного корунда РФ занимает наиболее прочные позиции и в большей степени обеспечивает внутренний рынок данным видом продукции [10].
Однако в настоящее время положение в абразивной отрасли [11] характеризуется тем, что большая часть предприятий прекратила свое существование. Потребности отечественного машиностроительного комплекса обеспечиваются в большой степени за счет импортного абразивного инструмента. Прекращены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области технологии производства абразивных материалов и инструментов. В период с 1993 по 2014 год НИР и ОКР в абразивной отрасли и по ряду переделов: термические печи, прессовое и транспортное оборудование, механическая обработка абразивного инструмента — сведены к нулю.
Кроме того, на территории России практически отсутствует действующее производство электрокорунда (белого и нормального), на долю которого приходится более 80% всей гаммы абразивного инструмента. Ситуация принципиально не меняется, несмотря на то, что достаточно много предприятий ОПК закупили импортное шлифовальное оборудование, для функционирования которого требуется абразивный инструмент.
Глобальным производителем абразивного инструмента в мире является концерн Saint-Gobain Abrasives (SGA) — подразделение многопрофильного концерна Saint-Gobain (Франция). SGA владеет 72‑мя заводами, расположенными в 26 странах. В таблице 6 указаны основные бренды SGA и конкуренты. Данные взяты из открытых ежегодных отчетов концерна SGA за 2014–2016 гг.
В РФ купить качественный зарубежный абразивный инструмент можно у многочисленных дилеров и дистрибьюторов — компаний производителей ШК, например, Saint-Gobain Abrasives (Франция); 3M (США), бренды 3М: Command, Nexcare, Post-it, Scotch, Scotch-Brite; Tyrolit (Австрия), Comet (Словения), Pferd (Германия), Hermes (Германия).
Шлифование [3–7] является достаточно трудоемким финишным процессом обработки, осуществляемым на дорогостоящем оборудовании и определяющим точность и качество поверхности деталей. Применяемые ШК должны быть в первую очередь качественными и соответствовать технологическим задачам, решаемым на шлифовальных станках.

В. К. Ермолаев, к. т.н.,
технический эксперт ООО «Шлифовальные станки»
vad1605@yandex.ru

Литература
1. Current Status in, and Future Trends of, Ultraprecision Machining and Ultrafine Materials Processing. Norio Taniguchi. Annals of the ClRP Vol. 32/2/1983. P 573–582.
2. Методы моделирования точности технологического оборудования. М. Г. Косов, д. т.н. и др., МГТУ «СТАНКИН», стр. 187–192. Материалы VI международной научно-технической конференции: Часть 1/под. ред. А. Г. Суслова — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2014. — 290 с.
3. Современные шлифовальные станки: новые методы абразивной обработки (часть 1). Ермолаев В. К. «РИТМ машиностроения», № 10, 2017. Стр. 28–33.
4. Современные шлифовальные станки: особенности конструкции (часть 2). Ермолаев В. К. «РИТМ машиностроения», № 1, 2018. Стр. 16–23.
5. Шлифование аэрокосмических деталей. Ермолаев В. К. «РИТМ машиностроения», № 5, 2017. Стр. 26–32.
6. Telle, R. Properties of ceramics. In: Marinescu, I. D., Toenshoff, H. K., Inasaki, I. (Eds.), Handbook of Ceramic Grinding and Polishing. Noyes Publications/William Andrew Publishing, Norwich, NY, Chapter 1. 2000.
7. Handbook of Machining with Grinding Wheels. Ioan D. Marinescu, Mike P. Hitchiner, Eckart Uhlmann, W. Brian Rowe, Ichiro Inasaki. Second Edition. 2016.
8. Природа неуравновешенности масс высокопористых шлифовальных кругов. В. К. Старков. С. Големи. Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Сб. статей междунар. науч.-технич. конфер. Волжский: Волжский институт строительства и технологий (филиал) ВолгГАСУ. — Волжский, 2005. 278 с. Шлифабразив‑2004.
9. Ардашев Д. В. Повышение эффективности операций шлифования в многономенклатурном производстве на основе прогнозирования работоспособности шлифовальных кругов: дис. … докт. техн. наук: 05.02.07/05.02.08/Ардашев Дмитрий Валерьевич. — Челябинск: ЮУрГУ, 2017. — 351 с.
10. Состояние и перспективы производства абразивных материалов. Никифоров И. П. Журнал «Труды Псковского политехнического института». Издательство ППИ. № 15.3. 2011 г. Стр. 265–270.
11. О состоянии и путях развития абразивной отрасли РФ. Шумячера В. М. Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив‑2014: сборник статей Международной научно-технической конференции / М‑во образования и науки Рос. Федерации, Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т, ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ; под общ. ред. В. М. Шумячера. — Волгоград: ВолгГАСУ, 2014. — 199 с.

 

Реклама наших партнеров