Сравнительный анализ и технологические особенности обработки внутренних и наружных цилиндрических поверхностей в машиностроении

Введение: Актуальность проблемы и структура отчета

В современной технологии машиностроения точность и качество обработанных поверхностей являются ключевыми факторами, определяющими эксплуатационные характеристики, долговечность и надежность деталей машин. Погрешности формы, высокая шероховатость или нежелательные физико-механические изменения поверхностного слоя цилиндрических деталей (валов, втулок, гильз, отверстий) ведут к повышенному трению, ускоренному износу, нарушению герметичности и, как следствие, снижению ресурса всего механизма, что делает вопрос выбора оптимальной стратегии обработки критически важным.

Актуальность проблемы получения высокоточных цилиндрических поверхностей обусловлена необходимостью обеспечения следующих функциональных требований:

1. Повышение износостойкости: Для деталей, работающих в паре трения (например, вал-втулка, поршень-гильза), требуется минимальная шероховатость ($R_{\text{a}} \le 0.32$ мкм) и высокая точность формы для стабилизации масляного клина и предотвращения сухого трения. И что из этого следует? Без этих условий, ресурс работы узла сократится в разы, вынуждая проводить дорогостоящий и частый ремонт.

2. Обеспечение герметичности: В гидравлических и пневматических системах точность и чистота поверхности критически важны для исключения утечек.

3. Снижение вибрации и шума: Высокая точность геометрической формы, особенно для подшипниковых опор и высокоскоростных валов, минимизирует динамические нагрузки.

Для решения этих задач машиностроение использует широкий спектр технологических методов, которые условно делятся на три группы: черновая (снятие основного припуска), чистовая (получение требуемого размера и квалитета точности) и отделочная/сверхчистовая (достижение минимальной шероховатости и сверхвысокой точности формы).

Настоящий реферат представляет собой систематизированный анализ методов обработки внутренних и наружных цилиндрических поверхностей, от базового точения до сверхчистовых операций, с обязательным акцентом на нормативно-техническое обеспечение качества согласно действующим ГОСТам и рассмотрением высокотехнологичных приемов, обеспечивающих конкурентные преимущества в точности и производительности.

Нормативно-техническое обеспечение качества цилиндрических поверхностей

Ключевой тезис: Качество поверхности определяется триадой геометрических параметров — точностью формы, волнистостью и шероховатостью.

Качество поверхности машиностроительной детали — это комплексная характеристика, которая включает не только микрогеометрию (шероховатость), но и макрогеометрию (отклонения формы) и мезогеометрию (волнистость), а также физико-механическое состояние поверхностного слоя. В технической документации эти параметры должны быть однозначно нормированы, что обеспечивается системой государственных стандартов, позволяющей унифицировать требования между производителем и заказчиком.

Шероховатость поверхности и ее нормирование по ГОСТ 2789-73 и ГОСТ Р 70117-2022

Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей с относительно малыми шагами, выделенная в пределах нормируемой базовой длины ($l$). Эти микронеровности образуются в результате взаимодействия инструмента с материалом и напрямую влияют на свойства контакта двух сопрягаемых деталей.

Нормирование параметров шероховатости в Российской Федерации регламентируется, прежде всего, ГОСТ 2789-73 («Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики»), а рекомендации по выбору и обозначению даны в современном стандарте ГОСТ Р 70117-2022.

Для нормирования используются два основных высотных параметра:

1. Параметр $R_{\text{a}}$ (Среднее арифметическое отклонение профиля): Это предпочтительный параметр. Он определяется как среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля $y(x)$ от средней линии в пределах базовой длины $l$.

   В общем виде формула для параметра $R_{\text{a}}$ выглядит так:

   R_a = (1/l) * ∫|y(x)| dx (от 0 до l)

   Чем меньше $R_{\text{a}}$, тем чище обработка.

2. Параметр $R_{\text{z}}$ (Высота неровностей профиля по десяти точкам): Он определяется как средняя арифметическая сумма абсолютных отклонений высот пяти наибольших выступов ($y_{\text{p}i}$) и глубин пяти наибольших впадин ($y_{\text{v}i}$) профиля в пределах базовой длины.

   Приближенная формула для $R_{\text{z}}$:

   R_z = (1/5) * Σ(y_pi + y_vi) (от i=1 до 5)

   Параметр $R_{\text{z}}$ более чувствителен к отдельным, наиболее высоким неровностям, что делает его полезным для контроля износа. Какой важный нюанс здесь упускается? $R_{\text{z}}$ часто используется на промежуточных операциях, где важно контролировать максимальную высоту неровностей, чтобы гарантировать их удаление на последующих чистовых этапах.

Волнистость и точность геометрической формы

Помимо шероховатости, на качество цилиндрической поверхности влияет волнистость и отклонения геометрической формы.

Волнистость представляет собой гармоническое искажение профиля, которое занимает промежуточное положение между микронеровностями (шероховатостью) и макропогрешностями (отклонениями формы). Волнистость возникает из-за вибраций, биения шпинделя или неравномерности подачи.

Хотя в технической практике волнистость часто включают в допуск формы, её отдельное нормирование возможно в соответствии с ГОСТ Р ИСО 4287-2014. Этот стандарт вводит параметры $W_{\text{a}}$ (среднее арифметическое отклонение волнового профиля) и $W_{\text{z}}$ (наибольшая высота волнового профиля).

Критерием разделения, согласно методологии, является отношение шага неровностей ($S_{\text{w}}$) к их высоте ($W_{\text{z}}$): неровности относят к волнистости, если $40 \le (S_{\text{w}} / W_{\text{z}}) \le 1000$.

Точность геометрической формы цилиндрических поверхностей (например, отклонение от цилиндричности, овальность, конусность) регламентируется классами точности — квалитетами (IT), которые варьируются от IT01 (наивысшая точность) до IT18 (наименьшая).

Согласно ГОСТ Р 70117-2022, существует прямая зависимость между допуском размера (квалитетом) и наибольшим допустимым значением шероховатости $R_{\text{a}}$. Чем выше квалитет точности, тем чище должна быть поверхность. Например, при высоком уровне относительной геометрической точности (Уровень А), допуск формы может составлять до 60% от допуска размера, что накладывает жесткие ограничения на $R_{\text{a}}$.

Методы лезвийной обработки цилиндрических поверхностей

Ключевой тезис: Лезвийная обработка (точение и растачивание) является базовой для формирования цилиндрических поверхностей и определяет основной припуск.

Лезвийная обработка, выполняемая на токарных и расточных станках, остается наиболее универсальным и производительным способом получения цилиндрических поверхностей, как наружных (обтачивание), так и внутренних (растачивание).

Черновое и чистовое точение наружных поверхностей

Точение — это процесс, где главное движение резания (вращение) выполняется заготовкой, а движение подачи (продольное или поперечное) — инструментом (резцом).

Для черновой обработки используются обдирочные резцы с большой глубиной резания и подачей, имеющие радиус скругления вершины 1–2 мм. Их цель — быстро снять избыточный припуск, что приводит к низкому квалитету точности (IT12–IT14) и высокой шероховатости ($R_{\text{a}} = 25.0 – 6.25$ мкм).

Чистовое точение ставит целью достижение требуемой точности (IT9–IT11) и снижение шероховатости ($R_{\text{a}} = 6.25 – 0.40$ мкм). Здесь критически важна геометрия резца и режимы резания (малая глубина, малая подача, высокая скорость).

Резец В.А. Колесова: повышение производительности и чистоты

Одним из высокопроизводительных подходов в чистовом точении является применение специализированных резцов, таких как резец В.А. Колесова. Этот инструмент позволяет значительно увеличить подачу, не ухудшая параметр шероховатости, что является классическим противоречием в лезвийной обработке. Разве не это является истинным мерилом инженерного мастерства?

Секрет конструкции заключается в наличии широкой зачищающей режущей кромки, которая:

1. Расположена строго параллельно направлению подачи (главный угол в плане $\phi_{0} = 0$).
2. Имеет ширину $b$, которая превышает или равна подаче ($b \approx (1.2-1.5)s$).

Благодаря этой геометрии, основная кромка снимает стружку, а зачищающая кромка, скользя по только что обработанной поверхности, сглаживает микронеровности, оставленные подачей. Это позволяет применять подачу до $s = 1.5-12$ мм/об, что существенно выше, чем при обычном чистовом точении, при этом сохраняя параметр $R_{\text{a}}$ на уровне, сравнимом со шлифованием.

Растачивание и обработка на многорезцовых станках

Растачивание — это внутренняя лезвийная обработка, применяемая для получения ответственных внутренних цилиндрических поверхностей (отверстий), особенно в корпусных деталях, где другие методы (например, развертывание) могут быть неэффективны или невозможны. Растачивание позволяет достичь точности до IT6–IT7 квалитета.

Многорезцовая обработка цилиндрических поверхностей используется для повышения производительности в крупносерийном и массовом производстве. На многорезцовых станках одновременно работают несколько резцов, установленных на переднем (продольная подача) и заднем (поперечная подача) суппортах.

• Преимущество: Значительное сокращение машинного времени.
• Недостаток: Сложность настройки и высокая погрешность.

Точность, достигаемая на многорезцовых станках, обычно не превышает 9 квалитета, что делает их непригодными для изготовления высокоточных посадочных поверхностей. При этом важно отметить, что многорезцовая схема может использоваться и для копировальной обработки фасонных цилиндрических поверхностей, где профиль инструмента или его перемещение точно воспроизводится по шаблону или копиру.

Технологии обработки глубоких и точных внутренних цилиндрических поверхностей (Отверстий)

Ключевой тезис: Последовательность обработки отверстий (сверление $\rightarrow$ зенкерование $\rightarrow$ развертывание) обеспечивает постепенное повышение точности (IT12 $\rightarrow$ IT6).

Обработка отверстий в сплошном материале требует последовательного перехода от менее точных к более точным операциям. Типовой маршрут выглядит так:

1. Сверление: Создание отверстия (IT12, $R_{\text{a}} = 6.25 — 1.60$ мкм). Основная проблема — увод оси и низкая точность.
2. Рассверливание: Увеличение диаметра и улучшение точности.
3. Зенкерование: Улучшение точности до IT10–IT12, сглаживание стенок.
4. Развертывание: Высокоточная финишная лезвийная обработка для получения точности IT6–IT8 и шероховатости $R_{\text{a}} = 3.20 — 0.80$ мкм.

Специализированные методы обработки глубоких отверстий

Глубокими отверстиями в машиностроении принято считать отверстия, у которых отношение глубины к диаметру ($L_{\text{отв.}} / D$) превышает 10, а в особо сложных случаях — более 20. Обработка таких отверстий традиционными сверлами невозможна из-за критического увода оси, плохого отвода стружки и недостаточного охлаждения.

Для решения этой задачи разработаны специализированные методы:

1. Ружейное сверление (Gun Drilling): Применяется для малых диаметров ($D = 1-35$ мм). Особенность — использование полого инструмента, через который под высоким давлением подается СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость). СОЖ, достигая зоны резания, охлаждает кромку и вымывает стружку наружу по кольцевому зазору между инструментом и стенкой отверстия.

2. BTA-сверление (Single Tube System): Применяется для более крупных диаметров ($D = 12-250$ мм). Здесь СОЖ подается по кольцевому зазору снаружи, а стружка удаляется через внутреннюю полость инструмента.

Ключевая особенность обоих методов — принудительное и непрерывное удаление стружки с помощью высоконапорной СОЖ. Это критически важно, так как предотвращает задиры, перегрев и заклинивание инструмента, что позволяет сохранять высокую точность на значительной глубине. Отсутствие эффективного удаления стружки неминуемо приведет к поломке дорогостоящего инструмента и браку, что подтверждает необходимость высокой квалификации оператора.

Чистовая абразивная обработка отверстий

Для достижения максимальной точности и минимальной шероховатости внутренних поверхностей применяются абразивные методы:

• Хонингование: Обработка с помощью хонинговальной головки с абразивными брусками, которые совершают сложное движение — вращательное и возвратно-поступательное. Хонингование обеспечивает точность до IT6 квалитета и шероховатость $R_{\text{a}} = 0.80 — 0.10$ мкм, а также формирует характерную сетчатую структуру, способствующую удержанию масла (критично для гильз цилиндров).

• Внутреннее шлифование: Используется для обработки закаленных отверстий, где лезвийная обработка невозможна.

Сверхчистовая и отделочная обработка наружных цилиндрических поверхностей

Ключевой тезис: Отделочная обработка позволяет достичь высочайших параметров точности (IT5–IT1) и минимальной шероховатости ($R_{\text{a}} < 0.1$ мкм).

Когда требования к качеству поверхности превосходят возможности шлифования (например, для прецизионных осей, калибров или зеркал), применяются сверхчистовые методы, которые работают при минимальных припусках и давлении.

Суперфиниширование: Принцип саморегулирования

Суперфиниширование — это процесс сверхтонкой абразивной обработки цилиндрических (и плоских) поверхностей, который использует мелкозернистые абразивные бруски (камни).

Технологическая схема:

1. Бруски прижимаются к вращающейся детали с очень малым давлением ($0.05 — 0.3$ МПа или $0.5 — 3.0 \times 10^{5}$ Па).
2. Бруски совершают высокочастотное возвратно-поступательное колебательное движение (400–1200 кол./мин) с малой амплитудой (1.5–6 мм).
3. Обработка ведется в среде маловязкой СОЖ.

Суперфиниширование позволяет достичь уникальной чистоты поверхности ($R_{\text{a}} = 0.025 — 0.01$ мкм) и точности IT5–IT6.

Гидродинамический эффект и самопрекращение процесса

Ключевой особенностью, отличающей суперфиниш от других абразивных методов, является его саморегулирование на основе гидродинамического эффекта.

На начальной стадии обработки брусок контактирует с выступами микрорельефа поверхности (полужидкостное трение). По мере срезания этих выступов и снижения шероховатости, маловязкая СОЖ начинает формировать сплошную несущую масляную пленку между бруском и поверхностью. Давление в этой пленке увеличивается, и наступает режим жидкостного трения.

Как только процесс переходит в режим жидкостного трения, фактическое резание прекращается. Таким образом, процесс автоматически останавливается, когда достигнута оптимальная чистота поверхности, а дальнейшая обработка не приводит к улучшению. Суперфиниш эффективно уменьшает шероховатость, создавая характерный сетчатый рельеф, но имеет ограниченные возможности по исправлению макропогрешностей формы (овальности или конусности), которые должны быть устранены предшествующей операцией (шлифованием).

Притирка (Доводка) и Алмазное точение

Притирка (Доводка) — это метод окончательной обработки, который, в отличие от суперфиниша, в первую очередь направлен на достижение не только минимальной шероховатости ($R_{\text{a}}$ до $0.025$ мкм), но и высочайшей точности геометрической формы (до IT1–IT5), необходимой для герметичных соединений и прецизионных калибров.

Притирка выполняется с помощью притиров (как правило, из чугуна, меди или бронзы) и абразивных паст. Притир может быть предварительно шаржирован (внедрение абразивного зерна в поверхность притира) или работать с доводочными пастами.

Наиболее известным примером является Паста ГОИ (Государственный оптический институт). Основным абразивным компонентом этой пасты является оксид хрома (III) ($\text{Cr}_{2}\text{O}_{3}$), содержание которого варьируется от 65% до 85% в зависимости от зернистости (от грубой №4 до чистовой №1).

Припуск на притирку крайне мал: 0.01–0.02 мм на предварительную и 0.003–0.005 мм на окончательную обработку.

Алмазное точение (Тонкое точение) — это высокоскоростная чистовая обработка, использующая инструменты с алмазными или эльборовыми режущими кромками. Этот метод особенно эффективен для обработки цветных металлов и сплавов (например, алюминия, бронзы), где шлифование затруднено из-за вязкости материала. Алмазное точение позволяет достичь точности 5–7 квалитетов и шероховатости $R_{\text{a}} = 0.16–0.063$ мкм.

Сравнительный анализ методов и обоснование технологического маршрута (Заключение)

Ключевой тезис: Выбор метода обработки определяется функциональным назначением поверхности и требуемым сочетанием точности и шероховатости.

Технологический маршрут обработки цилиндрической поверхности всегда строится по принципу последовательного уменьшения припуска и повышения точности. Решающим фактором является функциональное назначение детали, которое задает требуемый квалитет точности и параметр шероховатости.

Сводная таблица сравнительных показателей

Для наглядного обоснования выбора финишной операции приведем сравнительную матрицу основных методов обработки, демонстрирующую их технологические возможности.

Метод обработки	Тип операции	Достигаемый квалитет точности (IT)	Достигаемая шероховатость $R_{\text{a}}$, мкм
Черновое точение/Растачивание	Лезвийная, черновая	IT12 — IT14	25.0 — 6.25
Чистовое точение (вкл. рез. Колесова)	Лезвийная, чистовая	IT9 — IT11	6.25 — 0.40
Шлифование (наружное/внутреннее)	Абразивная, чистовая	IT6 — IT8	3.20 — 0.10
Развертывание	Лезвийная, чистовая (отверстия)	IT6 — IT8	3.20 — 0.80
Алмазное точение/Тонкое точение	Лезвийная, финишная	IT5 — IT7	0.16 — 0.063
Хонингование	Абразивная, отделочная (отверстия)	IT6	0.80 — 0.10
Суперфиниширование	Абразивная, сверхчистовая	IT5 — IT6	0.025 — 0.01
Притирка / Доводка	Абразивная, сверхчистовая	IT1 — IT5	0.16 — 0.025

Принципы выбора маршрута

Выбор финишной операции напрямую зависит от функциональных требований:

1. Высокая износостойкость и работа в условиях трения скольжения: Для валов, работающих в подшипниках скольжения, требуется $R_{\text{a}} = 0.16-0.32$ мкм. Это достигается точным шлифованием или алмазным точением.

2. Максимальная точность формы и герметичность: Если требуется IT5 и $R_{\text{a}} < 0.05$ мкм (например, для измерительных приборов или клапанов), необходимо применять Притирку, поскольку она способна исправлять значительные погрешности формы, оставшиеся после шлифования.

3. Повышенный ресурс и удержание масла: Для гильз цилиндров, где важна масляная пленка, оптимальным выбором является Хонингование или Суперфиниширование, которые формируют идеально гладкую, но при этом микропористую (сетчатую) структуру, предотвращающую разрыв масляной пленки.

Особое внимание при разработке маршрута должно уделяться базированию. Для полых тел вращения (втулок, дисков) критически важно обеспечить концентричность наружной и внутренней поверхностей. Это достигается предпочтительным базированием по уже обработанному отверстию, например, с использованием **разжимной оправки**. Корректный выбор технологической базы на каждом этапе минимизирует погрешность установки, которая может превзойти все усилия по достижению высокой точности резания. Таким образом, создание высокоточной цилиндрической поверхности — это не просто выбор одного метода, а тщательно спланированная технологическая последовательность, основанная на строгом соблюдении нормативных требований (ГОСТ IT и $R_{\text{a}}$) и глубоком понимании физических принципов работы каждого технологического процесса.

Список использованной литературы

1. Долгих, А. И., Фокин, С. В., Шпортько, О. Н. Слесарные работы. Москва : Альфа-М, 2007. 528 с.
2. Егоров, Е. М., Дементьев, В. И., Тишин, С. М., Дмитриев, В. И. Технология машиностроения. Москва : Высшая школа, 1965. 582 с.
3. Солоненко, В. Г., Рыжкин, А. А. Резание металлов и режущие инструменты. Москва : Высшая школа, 2007. 414 с.
4. Типовые технологические процессы изготовления деталей машин : учебное пособие / А. Г. Ткачев, И. И. Шубины. 2-е изд., стер. Тамбов : Изд. ТГТУ, 2007. 112 с.