Подписка
Автор: 
В. К. Ермолаев, к. т. н., Технический эксперт ООО «Шлифовальные станки», vad1605@yandex.ru

Станки для скоростного и ультраскоростного шлифования

Зарубежный отраслевой интернет-портал для производства IndustryArena (https://en.industryarena.com/) представляет собой аналог русскоязычного ресурса B2B-Center. С его помощью можно найти поставщиков современных шлифовальных станков в Европе, Азии, США и Японии, в том числе и реализующих новые методы шлифования.
Современные станки для скоростного, высокоскоростного и ультраскоростного шлифования в наибольшей степени распространены в производственных продуктах станкостроительных заводов Германии и Швейцарии.
Группа United Grinding Group (UGG), являющаяся холдинговой компанией, представляет станкостроительный сегмент концерна Körber AG. К рынкам сбыта ее продукции относятся Западная Европа, Азия, Северная и Южная Америка. В 2014 году концерн Körber с почти 12 000 сотрудников достиг оборота в 2,3 миллиарда евро [1]. В группу UGG входит 3 технологические подгруппы: «Плоское и профильное шлифование» — компании Mägerle, Blohm и Jung, «Круглое шлифование» — Studer, Schaudt и Mikrosa и подгруппа «Инструментальное шлифование» — Walter и Ewag.
Перечисленные восемь европейских компаний во многом определяют идеологию развития шлифовальных станков и широко используют методы высокоскоростного шлифования. Несомненный интерес представляют типовые решения отдельных узлов новых шлифовальных станков. В таблице 1 собраны сведения об отличительных особенностях узлов современных станков для высокоскоростного шлифования (HSG) различных фирм.
Хорошо известно, что основной элемент несущей системы станка — станина должна иметь точные поверхности для крепления к ней направляющих и узлов станка. Станина должна обладать минимальными температурными деформациями, обеспечивать стабильность формы базовых поверхностей и точность в течение всего срока эксплуатации, а также иметь максимальные демпфирующие свойства.
Из таблицы 1 следует, что большинство фирм изготавливают станины станков из минерального сырья. Известно, что к современным высокоскоростным шлифовальным станкам предъявляются все более высокие требования по скорости и точности обработки. Высокая скорость процессов и сложная обработка металлов резанием неизбежно создают вибрации станины, что отрицательно сказывается на качестве обработанной поверхности, а также сокращает срок службы дорогостоящего суперабразива.
Станина из минерального литья для станка, выполняющего скоростное шлифование, гасит вибрации (рис. 1) от процесса резания примерно в 6 раз быстрее, чем аналогичная станина из чугуна, и в 10 раз быстрее, чем аналогичная стальная конструкция [2]. Минеральное литье — это материал, состоящий из наполнителей: гравий, кварцевый песок, каменная мука — и связующего — эпоксидной смолы. Материал смешивается по точной рецептуре и отливается в соответствующие формы.

Преимущества минерального литья:
• гашение вибраций                                       • термическая стабильность
• отсутствие деформаций при нагрузке           • устойчивость и отсутствие коррозии
• экологичность производства                        • меньшие допуски
• более высокая продуктивность                    • более высокое качество поверхности
• более длительный срок эксплуатации                             
                                                 
Рис. 1. Зависимость амплитуды колебаний станин из разных материалов от времени [2]

Понятия «минеральное литье» и «полимерный бетон» в немецком языке используются как синонимы. Минеральное литье имеет высокий потенциал при изготовлении станков. С ним можно реализовать стабильные структуры станин, которые обладают высокими динамическими и тепловыми показателями. Физико-технические свойства традиционных материалов станин и минерального литья представлены в таблице 2 [3].


Данные таблицы 2 подтверждают целесообразность выбора минерального сырья в качестве материала станины и других корпусных деталей. Этот материал является достаточно прочным и в то же время показывает гораздо лучшую в сравнении с другими материалами статическую и динамическую жесткость. Он обладает высоким коэффициентом демпфирования, малой теплопроводностью (практически не чувствителен к термоудару и кратковременному нагреву), коррозионной стойкостью, отсутствием внутренних напряжений. В многочисленных научных статьях и трудах имеется информация, что замена только лишь материала станины на минеральное литье различных фирм в некоторых шлифовальных станках позволило на 1–2 класса улучшить чистоту поверхности и точность [4]. На рис. 2 показана станина из минерального литья SCHNEEBERGER [5].

Рис. 2. Станина из минерального литья SCHNEEBERGER [5]

Точечное скоростное (Quick-Point Grinding — QPG) шлифование до 140 м/с валов и дисков, осуществляемое на станках фирмы JUNKER, базируется на хорошо продуманной технологической базе. Фирма имеет более 80 патентов, а ее владелец Erwin Junker еще 1985 году получил в СССР патент (SU № 1452466 А3) на изобретение способа скоростного профильного шлифования осесимметричных поверхностей вращения, при котором шлифовальный круг с конической заборной частью устанавливают радиально по отношению к детали и под некоторыми углами как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях и перемещают вдоль оси обрабатываемой детали.
Обработка производится узкими кругами из алмаза или CBN с шириной рабочей поверхности, не превышающей 6 мм. При этом круг наклоняется в вертикальной плоскости на небольшой угол ±0,5…1° для перехода от линейного к точечному контакту со шлифуемой поверхностью. В процессе обработки круг может поворачиваться по программе на величину 0…30° для обеспечения обработки профильных элементов, канавок, галтелей и других.
Станки JUNKER для круглого, некруглого, плоского, профильного шлифования и для обработки режущих инструментов широко представлены на рынке. Благодаря комбинации с другими технологиями фирмы на станках серии QUICKPOINT можно также шлифовать плоские поверхности, многогранники, выточки и резьбу.
Заслуживает внимания станок JUMAT 6S 18–20S‑18 фирмы JUNKER, схематично изображенный на рис. 3, позволяющий одновременно шлифовать наружные и внутренние цилиндрические, а также торцевые поверхности деталей типа шестерен.
Очевидным преимуществом новейшего станка является сокращение времени шлифования заготовки в одной операции. Время шлифования может быть сокращено до 45–55 секунд, в зависимости от требований заказчика и размера шестерни. Устройство закрепления шестерни позволяет обрабатывать деталь одновременно с обеих сторон.

Рис. 3. Применение на станке JUMAT 6S 18–20S‑18 до четырех одновременно работающих шлифовальных кругов

Рис. 4. Многофункциональный производственный центр серии VLC для высокой производительности резания и полной обработки крупногабаритных деталей

Многофункциональные высокопроизводительные обрабатывающие центры VLC (рис. 4) фирмы EMAG с компоновкой Gantry подготовлены для полной обработки деталей больших типоразмеров при высоких значениях мощности резания. В этих центрах имеется возможность производить различные виды обработки деталей до и после термообработки, включая токарную (в т. ч. и с прерывистым резанием), сверлильную, фрезерную и шлифовальную.
В современных условиях детали становятся все сложнее, требования к точности все выше, объемы партий все меньше, а время, отводимое для обработки партии, постоянно минимизируется. Ответом на эти требования стало создание центров серии VLC, позволяющих за счет интеграции технологических процессов производить полную обработку детали в один установ.
Как у всех станков фирмы EMAG, основу станков серии VLC составляет стабильная станина из высококачественного синтетического гранита MINERALIT, который обеспечивает в 6–8 раз лучшее гашение колебаний, чем серый чугун, и гарантирует высочайшую точность, качество поверхности и более высокую стойкость инструмента при обработке патронных деталей.
Многофункциональные производственные центры EMAG модели VLC самостоятельно загружают заготовки, используя Pick-Up-шпиндель и содержат в пределах своей рабочей зоны все технологические модули для максимально полной обработки детали. Токарная обработка, сверление, шлифование, фрезерование, зубофрезерование — все осуществляется на одном станке и за один установ.
За основу инженерных решений в области проектирования шлифовальных станков конструкторы EMAG берут модульную станочную систему, которая может выполнять любые виды шлифовальной обработки: внутреннее или наружное круглое шлифование, торцовое шлифование и шлифование криволинейных поверхностей. В каждом из вариантов заказчик пользуется всеми преимуществами, заложенными уже в стандартных конструктивных решениях станков EMAG. Так, вертикальная конструкция обеспечивает беспрепятственное падение стружки вниз. Таким образом, исключается возможность загрязнения места зажима детали и повышается стабильность процесса обработки. Кроме того, вертикальная компоновка делает конструкцию станка более компактной, уменьшая занимаемую площадь и ограничивая силовые потоки в пределах меньшего объема. Все перечисленные особенности позволяют достигать высокой жесткости элементов несущей системы станка, что, в свою очередь, позитивно влияет на качество обработки деталей.
Помимо вышесказанного при шлифовании криволинейных поверхностей чрезвычайно важна термостабильность всего станка. Так, при осциллирующем движении подачи выделяется значительное количество тепловой энергии, которая не должна влиять на геометрическую точность обработанного изделия. При большой длине контакта шлифовального круга и заготовки также выделяется тепловая энергия, которая не должна снижать качество обработки. В этой связи конструкторы EMAG оптимизировали подачу охлаждающей жидкости и поддержание температурного режима обработки на станке, что привело к повышению термостабильности всей его конструкции.

Станки для быстроходного шлифования

Анализ работ [6–9], а также материал, представленный в первой части статьи [10] (см. рис. 5, 7, 8 и 9), определяют и демонстрируют область развития станков с высокими линейными скоростями деталей — область быстроходного шлифования (Speed-Stroke Grinding — SSG).
Фирма BLOHM JUNG GmbH впервые представила PROKOS XT (рис. 5) в г. Тун (Швейцария) на международном симпозиуме Grinding Symposium 2014. Многоосевой (до 6 осей) обрабатывающий центр PROKOS XT обеспечивает комплексную обработку деталей сложной формы методами высокоскоростного быстроходного маятникового шлифования, глубинного шлифования, сверления, растачивания, фрезерования и имеет полную CAD/САМ-совместимость. В станке достигается высокая точность сверления и фрезерования благодаря лазерной системе калибровки инструмента за счет коррекции длины и мониторинга режущей кромки.

Рис. 5. Станок PROKOS XT фирмы BLOHM для глубинного и быстроходного шлифования

Этот шлифовальный станок сохраняет многие характеристики своего предшественника — станка PROKOS, хорошо зарекомендовавшего себя в турбинной промышленности.
Высокодинамичные приводы линейных перемещений прямого действия позволяют достигать значений линейных скоростей стола по оси Х до 120 м/мин и ускорений до 25 м/с2, что делает PROKOS XT применимым для скоростного быстроходного шлифования. В станине станка используется синтетический гранит, обладающий хорошими демпфирующими свойствами для гашения высоких импульсов ускорений на реверсах стола. Подача шлифовальной головки по оси Y реализуется до 10 м/мин и 3 м/с2. Наконец, ось Z обеспечивает скорость 50 м/мин и ускорение 8 м/с2.
Фирма JUNG разработала новый шлифовальный станок S320‑D, который может применяться для всех областей шлифования начиная от ГШ (при скорости стола 0,1…1000 мм/мин) до быстроходного маятникового шлифования (1…50 м/мин) и контурного шлифования по всем осям (рис. 6). Станок поставляется с полностью закрытой рабочей зоной. Диапазон шлифования 200×150 мм позволяет создать очень компактную конструкцию. Стол (ось X) станка S320‑D приводится в движение линейным приводом новейшего поколения от Siemens. Ранее столы станков фирмы JUNG с гидравлическим приводом достигали максимально 60–80 ходов в минуту. На новом станке число ходов стола с деталью может составлять 600 ходов в минуту.

Рис. 6. Станок S320‑D фирмы JUNG для глубинного, быстроходного и контурного шлифования
Плоскопрофильношлифовальные станки линейки ECOLINE фирмы АВА имеют скорость стола с изделием до 60 м/мин.
Типовым и важнейшим элементом станков для быстроходного шлифования, на котором хотелось бы остановиться, является линейный электропривод.
В таблице 3 собраны сравнительные характеристики двух вариантов приводов: линейного электропривода и ШВП, а в таблице 4 представлены преимущества и недостатки этих приводов [11].
Применение линейных двигателей оправдано для шлифовальных станков в том случае, когда большую роль играет динамическая характеристика привода: максимально допустимые ускорения, величины максимально и минимально допустимых скоростей. Линейные двигатели позволили максимально сократить кинематическую цепь и перешагнуть через шарико-винтовую пару.

Станки для глубинно-сверхскоростного (HEDG) шлифования

ГШ в одном из направлений своего развития, связанном с увеличением скорости обработки, применением суперабразивов и созданием условий для эффективного протекания процесса резания, пошло в направлении глубинно-сверхскоростного шлифования с увеличенной скоростью подачи инструмента, или в другом варианте перевода: высокоэффективного глубинного шлифования (high-efficiency deep grinding — HEDG).
Профилешлифовальный 5‑осевой станок Edgetek Superabrasive CNC фирмы EDGETEK (США), изображенный на рис. 7, реализует метод обработки HEDG. Удельный съем на операции шлифования деталей авиационно-космической промышленности из жаропрочных никелевых сплавов достигает 50…2000 мм3/мм•с, что значительно превышает значения съема для традиционного глубинного шлифования: 0,1…10 мм3/мм•с.

Рис. 7. 5‑осевой станок Edgetek Superabrasive CNC фирмы EDGETEK

Один станок Edgetek Superabrasive CNC заменяет семь обычных фрезерных и шлифовальных станков, что позволило заказчику сократить время обработки сложной детали с 8 часов до 12 минут.
Компактный 5‑осевой профилешлифовальный станок MICRON MACRO фирмы LAPMASTER WOLTERS GmbH (Германия), показанный на рис. 8, имеет общую ширину всего 1500 мм. Он обеспечивает обработку профилей деталей с глубиной резания до 20 мм, подачей 500 мм/мин, скоростью резания 67/94/335 м/с при диаметре шлифовального круга 400 мм и мощности привода 11–37 кВт.

Рис. 8. Станок MICRON MACRO фирмы LAPMASTER WOLTERS GmbH (на фото без кожуха)

Все линейные движения при позиционировании и шлифовании в этом станке выполняются шлифовальной головкой. На станке реализован метод HEDG-шлифования, и в этом случае гарантируется минимизация термического повреждения заготовки, получение точного профиля с шероховатостью Rа до 0,1 мкм.
Станина станка выполнена из полимербетона, шпиндель с водяным охлаждением. В станке имеется автоматическая балансировка кругов. Система СОЖ производит очистку шлифовального круга и охлаждение зоны резания. Станок обладает возможностью автоматической регулировки положения форсунок подачи СОЖ.
Все станки MICRON представляют собой модульные шлифовальные центры с ЧПУ. Они компактны, надежны и специально разработаны для шлифования Creep Feed, Profile и HEDG.
Резьбошлифовальный станок станок GS (рис. 9): TE фирмы DRAKE (США) имеет станину из минерального литья, обеспечивающую высокую статическую и динамическую жесткость, хорошую термостабильность и отсутствие вибраций. Режимы обработки на станке гарантируют шлифование HEDG с Qуд = 80…110 мм3/мм•с кругами из CBN на гальванической связке.

Рис. 9. Резьбошлифовальный станок GS: TE фирмы DRAKE (США)

Мощность привода шлифовального круга 12 кВт. На станке GS: TE установлена индивидуальная система подачи СОЖ с современным соплом для смазки, охлаждения и удаления стружки из зоны шлифования. Станок оснащен линейными двигателями и роликовыми направляющими для создания высокой скорости и максимального ускорения. В станке используются датчики акустической эмиссии для оптимизации процессов правки и шлифования, а также имеется возможность автоматически исправлять форму круга при возникновении погрешности шлифования наружной или внутренней винтовой линии.

Необходимые условия реализации новых методов шлифования

Каждому шлифовщику известно, что интенсификация любого из параметров режима обработки приводит к засаливанию или осыпанию круга и к потере качества детали. Безусловно, увеличение одного, двух или трех параметров режима резания категорически должно сопровождаться заменой и подбором характеристики круга, конструктивными и количественными мерами подвода СОЖ, подбором средства и режима правки, повышением динамической жесткости станка.
Суперабразивы. Признано [12], что при шлифовании труднообрабатываемых материалов, например титановых сплавов, алмазные и CBN-шлифовальные круги имеют лучшие характеристики, чем любые круги из AI2O3 и карбида кремния SiC. Важнейшие характеристики суперабразивов определяются как:
• Высокая износостойкость: алмазные и CBN-круги изнашиваются гораздо медленнее, чем круги из оксида алюминия или карбида кремния, из-за более высокой твердости. Высокая износостойкость приводит к более высокому коэффициенту шлифования. Зерна алмаза и CBN достаточно острые по сравнению с традиционными абразивами, которые вызывают значительные силы трения, температуру и большие силы шлифования, требующие высоких значений энергии шлифования.
• Термическая стабильность: CBN может поддерживать высокую степень стабильности до температуры около 1000°C, но он будет вступать в реакцию с водой при 800°C. Алмаз имеет тенденцию к превращению в графит при температурах выше 800°C, а затем теряет свою износостойкость.
• Хорошая теплопроводность: алмазные и CBN-шлифовальные круги имеют хорошую теплопроводность, которая позволяет быстро рассеивать тепло из зоны шлифования.
• Острые и меньшие углы наклона зерен: алмазные и CBN-зерна характеризуются более острыми режущими кромками с углом наклона от –60 до –70 градусов (зерна у обычных кругов, от –85 до –90 градусов). Более острые зерна и меньшие углы наклона вызывают пониженные трение и температуру. Установлено, что угол наклона зерен алмаза и CBN ниже, чем у зерен обычного абразива, из-за особенностей характеристик этих зерен.
Таким образом, перечисленные характеристики шлифовальных кругов из суперабразивов позволяют утверждать, что именно суперабразивы являются перспективными абразивными материалами для шлифования труднообрабатываемых сплавов, в частности титановых. Это алмазные синтетические или CBN-шлифовальные круги на гальванической или паяной металлической связках.
Изложенное хорошо подтверждается данными работы [13], представленными на рис. 4 первой части статьи [10]. Однако для обеспечения эффективной работы суперабразивов необходимо в максимальной степени уменьшить тепловыделение в зоне шлифования.
Системы подачи СОЖ. Важнейшую роль в эффективности любого нового метода шлифования играет система охлаждения станка. На основании анализа имеющихся данных можно с уверенностью утверждать, что способ подачи СОЖ, включающий отслеживание смещения режущей кромки круга, расположение и количество сопел, форму щели, а также расход, скорость истечения струи СОЖ и давление являются после выбора характеристики шлифовального круга первостепенными факторами, определяющими уровень достигнутого удельного съема.
Высокопористые шлифовальные круги для ГШ способны транспортировать через процесс резания до 70% применяемой СОЖ. Такие круги требуют снабжения охлаждающей жидкостью со скоростью потока, превышающей 10…12,5 л/мин на киловатт мощности привода шлифовального круга [1]. В таблице 5 собраны данные по фактическому соотношению QСОЖ (л/мин)/Nшл.кр. (кВт) для некоторых станков, реализующих метод ГШ.
В проспекте фирмы NORTON «Технические решения для ГШ» даны рекомендации по параметрам системы подачи СОЖ, которые показаны на рис. 10. Давление насоса системы охлаждения требуется выбирать порядка 15 бар как минимум. Поток СОЖ в зоне шлифования должен быть максимально когерентным, насколько это возможно, и должен соответствовать форме профиля детали. Рекомендуемое давление СОЖ, подаваемой на чистку круга: от 40 до 70 бар.

Рис. 10. Рекомендации фирмы NORTON по ГШ
Скорость охлаждающей жидкости VC должна соответствовать окружной скорости круга VS т. о., чтобы преодолевался воздушный барьер, порожденный шлифовальным кругом. Сопла должны быть расположены близко к границе раздела между кругом и деталью, чтобы максимальное количество жидкости поступало в зону резания. Температура СОЖ должна контролироваться и поддерживаться на уровне ~ 20 °C.
Следует применять рекомендации общепризнанного справочника [14] по обработке шлифовальными кругами. На рис. 11 показаны конструктивные улучшения, которые необходимо выполнить при интенсификации шлифования в конструкции сопел для достижения более последовательного (когерентного) потока СОЖ.

Рис. 11. Улучшения в конструкции сопла для достижения более последовательного потока СОЖ

На выставке International Manufacturing Technology Show 2014 [15] компания United Grinding North America продемонстрировала высокоточный шлифовальный станок Mägerle MFP 100, созданный в ответ на потребность в прецизионном инструменте для производства деталей буровой техники, самолетов, промышленных двигателей и шпинделей современных станков. Это мощный шлифовальный, обрабатывающий центр (реализован CDCFG- метод) с непрерывной правкой шлифовального круга с 50‑киловаттным приводом шпинделя, разработанный для экономичной комплексной обработки больших и сложных деталей.
Стандартная версия инструментообмена охватывает в общей сложности 30 различных инструментов. Например, 15 шлифовальных кругов и 15 алмазных контурных роликов, которые необходимы для непрерывной правки в процессе шлифования. Максимальный диаметр шлифовального круга 300 мм. Максимальный диаметр правящего ролика 160 мм.
Станок MFP 100 может быть оснащен новым 16‑кратным автоматическим обменником форсунок подачи смазочно-охлаждающей жидкости. Это устройство может автоматически загружать то сопло, которое является оптимальным для соответствующего процесса. Таким образом, процессы шлифования надежно протекают с максимальной приводной мощностью и максимальным давлением охлаждающей жидкости. Это оптимизирует поток охлаждающей жидкости и сокращает количество отходов. На рис. 12 представлен автоматический сменщик сопел подачи СОЖ на станке Mägerle MFP 100.

Конфигурация сменщика сопел станка MFP 100
1. Устройство смены сопел                 4. Вертикальное сопло
2. Сопло для СОЖ                               5. Подача СОЖ
3. Горизонтальное подающее сопло

Рис. 12. Автоматический сменщик сопел подачи СОЖ на станке Mägerle MFP 100

Многие виды абразивных операций, включая эффективную и точную обработку аэрокосмических деталей, на шлифовальных станках требуют системного подхода к комплексному удовлетворению технических требований производства [16].
Таким образом, современные шлифовальные станки — это оборудование, реализующее новые методы шлифования и создающее рациональные условия для протекания процесса резания, что позволяет стать шлифованию основным методом удаления металла в некоторых процессах обработки.

Литература
1. http://engcrafts.com/item/352‑novye-razrabotki-stankov
2. https://knuth-industry.ru/
3. Разработки кафедры технологического оборудования. Институт технологии и обеспечения качества (IFQ). Университет ОТТО фон Гуерикке Магдебург.
4. http://stankismk.ru/news/46?lang=ru
5. https://www.schneeberger.com/ru/produkcija/
6. Пилинский А. В. Инновационные методы и вызовы в скоростном и ультраскоростном шлифовании. Вектор науки ТГУ. 2015. № 2 (32–2).
7. Denkena B., Hollmann F. (Eds.) Process Machine Interactions: Predicition and Manipulation of Interactions between Manufacturing Processes and Machine Tool Structures. Springer Heidelberg New York Dordrecht London, 2013. XVIII, 518 p.
8. Высокоскоростное маятниковое шлифование сплава на основе никеля. MOTION. Корпоративный журнал группы предприятий SCHLEIFRING. Выпуск 1/2009.
9. Performance of the Speed-Stroke and Creep-Feed Grinding under Constant Removal Rate. A. Yui, S. Okuyama and T. Kitajima. National Defense Academy, 1–10–20 Hashirimizu, Yokosuka-City, 239‑86‑86, Japan. Key Engineering Materials. 2004. Vols. 257–258, pp 69–74.
10. Современные шлифовальные станки: новые методы абразивной обработки. Ермолаев В. К. // «РИТМ машиностроения». 2017. № 10,. С. 28–33.
11. Zhang Bi. Machining vs. Grinding. Towards High Efficiency Machining. Presentation. University of Connecticut. Mechanical Engineering. 2010.
12. Investigation into the Grinding of Titanium Alloys. S. H. WANG. Cranfield University. School of Industrial and Manufacturing Science. Juy 2000. (26).
13. Konig, W., Klocke, F., and Stuff, D. High Speed Grinding with CBN Wheels — Boundary Conditions, Applications and Prospects of a Future Oriented Technology, 1st French and German Conf. on High Speed Machining, Metz, June, 1997, p 207–218.
14. Handbook of Machining with Grinding Wheels/J. Marinescu [et al.]. New York: CRC Press Taylor and Francis Group, 2007. 596 p.
15. http://metal.nestormedia.com/index.pl?act=PRODUCT&id=994# (27)
16. Шлифование аэрокосмических деталей. Ермолаев В. К. // «РИТМ машиностроения». 2017. № 5. стр 26–32.

Реклама наших партнеров