Финишная обработка поверхностей при производстве деталей

УДК 621.81:621.9.04

Финишная обработка поверхностей при производстве деталей / С. А. Кли
менко [и др.]; под общ. ред. С. А. Чижика и М. Л. Хейфеца. – Минск: Беларуская навука, 2017. – 376 с. – ISBN 978-985-08-2201-7.

В монографии представлено современное состояние высокопроизводительных, эффективно управляемых в автоматизированном производстве методов финишной механической  
и физико-технической обработок поверхностей деталей: точения и шлифования инструментами из сверхтвердых материалов, магнитно-абразивного и магнитореологического полирования. Показаны возможности прогрессивных лезвийных и абразивных методов, приведены 
примеры их высокоэффективного комплексного применения при производстве деталей из 
труднообрабатываемых материалов.
Будет полезна научно-техническим работникам, аспирантам и студентам технических 
специальностей вузов.
Ил. 276. Табл. 77. Библиогр.: 151 назв.

А в т о р ы:

С. А. Клименко, М. Ю. Копейкина, В. И. Лавриненко, В. С. Майборода (Украина),
Л. М. Акулович, М. Л. Левин, М. Л. Хейфец,
А. Л. Худолей, С. А. Чижик (Республика Беларусь)

Р е ц е н з е н т ы:

академик НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор Н. К. Мышкин,
член-корреспондент НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор А. В. Белый

ISBN 978-985-08-2201-7
© Оформление. РУП «Издательский дом 
            «Беларуская навука», 2017

ПРЕДИСЛОВИЕ

Ведущая роль в интенсификации развития всех отраслей экономики принадлежит машиностроению, которое призвано обеспечить отрасли конкурентоспособными машинами для реализации технологий, направленных на снижение трудовых, материальных и энергетических затрат. Повышение конкурентоспособности производимой продукции является одной из важнейших 
задач современного машиностроения. Стремление производителей машиностроительной продукции поддерживать ее конкурентоспособность неизбежно 
приводит к повышению силовых и скоростных параметров машин, технологического оборудования и оснастки. 
Возрастающие требования к надежности машин вызывают необходимость 
совершенствования технологических процессов их изготовления с применением новых финишных методов обработки. Обеспечение высокого качества 
поверхностей деталей машин технологическими способами является одной из 
актуальных задач современного машиностроительного производства. 
Одним из параметров, характеризующих конкурентоспособность машин  
и механизмов, является надежность их работы, которая всегда лимитируется 
той или иной деталью или сборочной единицей. Это особенно актуально, если 
лимитирующий узел работает в условиях воздействия агрессивных сред, без 
смазки, в контакте с частицами абразивных материалов и др. Поэтому актуальным является повышение ресурса работы деталей машин путем использования новых материалов и инновационных технологий. Обеспечение надежности изделий с повышенными скоростными и силовыми характеристиками 
требует совершенствования технологических процессов, обеспечивающих 
качество поверхностей при их изготовлении. В условиях конкуренции качество продукции должно расти опережающими темпами, а это возможно обеспечить только на основе научных исследований формирования показателей 
качества различными технологическими методами. 
Долговечность деталей во многом определяется состоянием поверхностного слоя, параметры которого формируются на протяжении всего технологического процесса изготовления и стадий эксплуатации машины. Научные исследования П. И. Ящерицына, А. М. Дальского, Э. В. Рыжова, В. М. Смелянского, их коллег и учеников, а также производственная практика показали, 
что при правильно назначенных режимах обработки на заключительных стадиях технологического маршрута, устраняющих накопленные дефекты на 

предшествующих операциях, можно значительно увеличить долговечность 
деталей машин. 
Современные процессы лезвийной обработки дают возможность производительного формообразования изделий из различных конструкционных материалов с широким спектром механических свойств, обеспечивая при этом 
требуемое качество обработанной поверхности. Созданный во второй половине прошлого века класс синтетических сверхтвердых материалов, их бурное 
развитие в настоящее время позволили разработать режущие инструменты, 
обеспечивающие финишную обработку деталей из абразивсодержащих полимерных композитов, цветных сталей и сплавов, кремния и германия, закаленных сталей и высокотвердых чугунов, жаропрочных сплавов и многих других 
материалов.
Среди финишных методов доминирует абразивная обработка, которая нередко является единственно возможным способом обеспечения требуемого 
качества поверхности деталей. При любом способе финишной абразивной обработки важнейшим фактором является возможность изменять давление частиц абразивного порошка на обрабатываемую поверхность заготовки. В этом 
случае в незакрепленном состоянии зерна абразива более полно используют 
свои режущие, деформирующие и выглаживающие способности, так как происходят нивелирование их рабочих кромок относительно обрабатываемой поверхности, а также переориентация и перемещение частиц порошка в процессе обработки. Наличие у частиц абразивного порошка отрицательных передних углов и скругленных вершин вызывает при высоких скоростях и малых 
глубинах микрорезания интенсивное скольжение частиц порошка по материалу заготовки. 
Технологии финишной обработки свободным абразивом в жидкой смазывающей охлаждающей технологической среде и методы управления магнитным полем этой средой в процессах обработки впервые разработаны в Беларуси и на начальных этапах получили наиболее значимое развитие в России  
и Украине. Магнитно-абразивная обработка была предложена Г. С. Шулевым 
и Е. Г. Коноваловым и непрерывно совершенствовалась Ф. Ю. Сакулевичем,  
Л. М. Кожуро, Н. Я. Скворчевским, Ю. М. Бароном, И. А. Сенчило и др. Разработка магнитореологического полирования начиналась З. П. Шульманом,  
В. И. Кордонским, Б. Э. Кашевским, И. В. Прохоровым, Л. К. Глебом, Г. Р. Городкиным и другими, в настоящий момент в Беларуси располагается ведущий 
научно-исследовательский центр по разработке процессов и производству 
оборудования.
Магнитно-абразивная обработка совмещает достоинства процессов резания, электроэрозионной и электрохимической обработок. Для ее реализации 
не требуется изготавливать профилирующий абразивный инструмент, а также периодически его править. Процесс протекает без прямого контакта инструмента с заготовкой. Под действием магнитного поля частицы незакрепленного абразива ориентируются наибольшей осью перпендикулярно обра

батываемой поверхности. В результате частицы незакрепленного абразива 
под действием магнитного поля по мере износа переориентируются в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности, а процесс микрорезания производится постоянно обновляющимися острыми кромками.
Магнитореологическое полирование, использующее в качестве полировального инструмента магниточувствительные структурообратимые неколлоидные жидкости, является одним из наиболее перспективных направлений 
прецизионной обработки поверхностей. В его основе лежит эффект левитации 
немагнитных тел в магнитной жидкости. Магниточувствительную жидкость, 
в которую вводят частицы абразивного материала, помещают в зону обработки и воздействуют на нее неоднородным магнитным полем с градиентом, направленным от поверхности обрабатываемой детали. Частицы абразивного 
наполнителя, испытывая магнитное давление, выталкиваются к движущейся 
поверхности полируемой детали и прижимаются к ней.
Перспектива методов прецизионной обработки сложнопрофильных поверхностей сопряжена со стабилизацией параметров ориентированного абразивного резания и полирования при обработке различных участков. Для этого 
необходимо решать проблемы управления формообразующими параметрами 
рабочих технологических сред и целенаправленно изменять давление частиц 
порошка на обрабатываемую поверхность.
Монография подготовлена большим коллективам авторов – известных 
специалистов в различных областях инженерии поверхностей, занимающихся проектированием, производством и применением технологического и контрольного оборудования и инструмента для финишной обработки изделий. 
Главы и разделы, посвященные построению технологических процессов  
и лезвийной обработке поверхностей, написаны С. А. Клименко, М. Ю. Копейкиной и М. Л. Хейфецем, шлифованию – В. И. Лавриненко, магнитно-абразивной обработке – Л. М. Акуловичем и В. С. Майбородой, магнитореологическому 
полированию – М. Л. Левиным и А. Л. Худолеем, контролю качества прецизионных поверхностей после финишной обработки – С. А. Чижиком. 
При подготовке монографии авторы ставили задачи на основе обобщения 
результатов исследований финишных методов обработки выработать подходы к проектированию, производству и применению технологических комплексов [1–3], обеспечивающих совокупностью технологических операций 
механической и физико-технической обработок [4, 5] формирование заданных 
показателей качества прецизионных поверхностей наукоемких изделий.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

АМТ 
– алмазное микроточение;

БВТС 
– безвольфрамовый твердый сплав;

ГТД 
– газотурбинные двигатели;

КНБ 
– кубический нитрид бора;

МАИ
– магнитно-абразивный инструмент;

МАО 
– магнитно-абразивная обработка;

МКЭ 
– метод конечных элементов;

МНТП – многогранная неперетачиваемая твердосплавная пластина;
МРП 
– магнитореологическое полирование;

МРПЖ – магнитореологическая полировальная жидкость;
ПАВ 
– поверхностно-активное вещество;

ПКА 
– поликристаллический алмаз;

ПКП 
– переходный круговой поясок;

ППВТВ – передняя поверхность в виде тела вращения;
ПСТМ 
– поликристаллический сверхтвердый материал;

СОЖ 
– смазочная охлаждающая жидкость;

СОТС 
– смазочная охлаждающая технологическая среда;

ССК 
– сверхтвердый структурированный композит;

ФАП 
– ферроабразивный порошок.

ПРОГРЕССИВНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ  
ПОВЕРХНОСТЕЙ

Технологические задачи механической обработки делятся на 
три группы. Первая группа связана с обеспечением требуемого взаимного 
расположения поверхностей детали, вторая группа – с формой геометрических элементов, третья группа – с формированием в поверхностном слое детали состояния, требуемого по условиям эксплуатации. Точность взаимного 
расположения поверхностей обеспечивается выбором технологических баз  
и соответствующей установкой детали относительно движущегося инструмента. Снижение погрешности формы и состояние поверхностного слоя после 
обработки достигаются за счет соответствующей жесткости и точности оборудования, выбора инструмента и режимов обработки.
При черновой механической обработке снимают основную часть операционного припуска. Заданную точность размеров и близкую к нормативной шероховатость поверхностей достигают в результате чистовой обработки. Финишные методы обработки обеспечивают формирование состояния поверхностного слоя изделий, требуемого по условиям их эксплуатации.

1.1. Методы механической обработки

1.1.1. Лезвийная обработка поверхностей точением

Каждый метод обработки отличается кинематикой процесса, формой поверхностей резания, образуемых при движении режущих инструментов относительно заготовки. С переходом от предварительных методов к чистовым 
и финишным кинематика процесса, как правило, усложняется, увеличивается 
число режущих элементов на рабочей поверхности инструмента, что в свою 
очередь приводит к усложнению формы поверхностей резания и росту их числа на единицу площади обрабатываемой поверхности. 
При переходе от точения к шлифованию число поверхностей резания на 
единицу площади увеличивается от 8–30 до 20000 (табл. 1.1), при переходе от 
шлифования к суперфинишированию с учетом уменьшения зернистости инструмента – от 1000–20000 до 2000–40000 [6]. 
Финишная механическая обработка выполняется механическими методами – лезвийным и абразивным инструментами, а также физико-техническими 
методами.

Г л а в а
1

Одновременно с расширением номенклатуры труднообрабатываемых материалов, учитывая ужесточение экономических и технических требований  
к эффективности процессов обработки, совершенствуются существующие  
и разрабатываются новые композиты для оснащения инструментов, используемых в технологиях механической и физико-технической обработок (рис. 1.1). 
Инструмент во многом предопределяют возможности таких технологий. 

Таблица 1.1. Влияние метода обработки на число поверхностей резания

Метод обработки
Число режущих элементов  
на рабочей поверхности инструмента

Число поверхностей резания на 1 мм2 

обрабатываемой поверхности

Обтачивание:
черновое
чистовое
тонкое

1
1
1

1–4
4–8
8–30
Фрезерование:
черновое
чистовое
8–50
8–50
2–8
8–16
Шлифование:
черновое
чистовое
тонкое

1–5*
5–50*
50–1000*

2–100
100–1000
1000–20000

* Число элементов на 1 мм2 поверхности инструмента.

Рис. 1.1. Области применения материалов для оснащения инструментов

При учете технологических возможностей различных методов обработки 
технологическая цепочка изготовления деталей может включать в себя как 
лезвийную или абразивную обработки, так и последовательную совокупность 
лезвийной и абразивной обработок или лезвийной, абразивной и физико-технической обработок. Набор технологических переходов обусловлен требованиями, предъявляемыми к обрабатываемому изделию. 
При разработке технологических процессов формообразования деталей 
необходимо принимать во внимание не только особенности операций размерной обработки, но и специальные требования по обеспечению необходимой 
точности размеров и формы поверхностей и их расположения относительно 
других поверхностей. 
При механической обработке деталей припуск на различных операциях 
обычно снимается частями с постепенным уменьшением величины операционного припуска по мере приближения размера обрабатываемой поверхности 
к заданному размеру по чертежу. Поэтому обработку заготовок подразделяют 
на несколько видов: обдирочная, черновая, получистовая, чистовая, тонкая, 
отделочная. Две последние операции можно объединить понятием «финишная обработка». Рассмотрим основные характеристики данных видов обработки в порядке последовательности их использования.
Обдирочная обработка. В общем случае применяется для заготовок 
крупных деталей 16–18-го квалитетов точности (поковки, отливки 3-го класса 
точности). Она уменьшает погрешности формы и пространственных отклонений грубых заготовок. Достигается точность 15–16-го квалитетов, а шероховатость поверхности Ra > 100. Иногда применяется для обработки крупных 
наплавленных деталей.
Черновая обработка. Используется для заготовок, подвергшихся обдирочной операции, а также для крупных штампованных заготовок 2–3-й групп 
точности и для отливок 2-го класса точности (соответствует 15-му квалитету 
точности). Обработка выполняется в большом диапазоне точности 12–16-го 
квалитетов. При этом величина макроотклонений составляет до 160–500 мкм 
на 1м длины, шероховатость поверхности характеризуется параметрами  
Ra 12,0–40,0 и Sm 0,32–1,25 мм. Черновое точение применяют для обработки 
поверхностей с припуском на предварительную обработку свыше 5 мм 
Получистовая обработка назначается для заготовок, у которых при черновой обработке не может быть снят весь припуск. Кроме того, ее назначают 
для заготовок, к точности которых предъявляются повышенные требования, 
что вызывает необходимость уменьшения операционных припусков и увеличения количества операций обработки. Точность этого вида обработки − 11–
12-й квалитеты, шероховатость поверхности изделий Ra 2,0–16,0 и Sm 0,16–
0,40 мм. Получистовое точение применяют в качестве окончательной обработки после чернового точения либо как метод промежуточной обработки 
перед последующей отделочной обработкой. 

Чистовая обработка применяется как окончательный вид обработки для 
тех поверхностей, заданная точность которых соответствует точности, достигаемой чистовой обработкой. Операция чистовой обработки может быть также включена в технологический процесс как промежуточная стадия под последующую тонкую (отделочную) обработку. Точность чистовой обработки − 
8–10-й квалитеты, макроотклонения составляют 40,0–100,0 мкм на 1 м длины, 
шероховатость поверхности Ra 0,8–2,5 и Sm 0,08–0,16 мм. Применяется также 
в качестве промежуточной стадии обработки под последующую отделку. Однократной чистовой обработке подвергают заготовки и поверхности, полученные точными методами (кокильное литье, штамповка по первой группе 
точности и др.), на режимах, близких к режимам чистовой обработки. 
Тонкая обработка – один из видов обработки, окончательно формирующий 
высокую точность поверхностей заготовки. Выполняется при малых значениях операционного припуска и подачах (0,05–0,15 мм/об), высоких скоростях 
резания и малых глубинах резания (0,05–0,5 мм), что обеспечивает высокую 
точность. Шероховатость поверхности обработанной стальной заготовки  
Ra 0,63–2,5. Тонкое точение (растачивание) обеспечивает высокую точность 
при незначительной шероховатости цилиндрических, конических, сферических, плоских торцевых и фасонных поверхностей вращения. Суть данной обработки или растачивания заключается в снятии стружки очень малого сечения при высоких скоростях резания. Скорость резания при тонком точении 
находится в пределах 100–1000 м/мин в зависимости от обрабатываемого материала. Для чугунных заготовок она составляет 100–150 м/мин, для стальных − 150–250 м/мин, а для заготовок из цветных сплавов − до 1000 м/мин  
и выше. Подача при обработке для предварительного прохода устанавливается 0,15 мм/об, а для окончательного прохода − 0,01 мм/об. Соответственно глубину резания принимают 0,2–0,3 и 0,05–0,01 мм. 

Малые сечения снимаемой стружки обусловливают незначительные силы 

резания и нагрев заготовки. При таких условиях исключается получение значительного деформированного слоя на обрабатываемой поверхности, а также 
не требуется больших усилий для закрепления заготовки. Малые силы резания не вызывают существенного упругого отжатия технологической системы, 
которое могло бы повлиять на точность обработки. Вследствие указанных 
особенностей тонкое точение устойчиво обеспечивает 6–8-й квалитеты точности, а при обработке заготовок из цветных металлов и сплавов точность достигает 5–6-го квалитетов. Шероховатость обработанной поверхности у заготовок из черных металлов Ra 0,63–2,50, а при обработке цветных сплавов ее 
можно снизить до 0,16–0,32. 
Тонкое растачивание широко применяется для обработки точных отверстий 
под подшипники качения и скольжения, отверстий у коробок передач, задних 
мостов, отверстий у шатунов, цилиндров двигателей и компрессоров и т. д. 
Тонкое точение часто применяется перед такими операциями, как шлифование, хонингование, суперфиниширование, полирование, и осуществляется