Когда вы проходите мимо производителя станков и видите, как техники вручную шлифуют и полируют поверхности, невольно задумываешься: «Неужели они действительно могут улучшить эти обработанные поверхности именно путём шлифовки и полировки? (Разве люди способны быть сильнее машин?)»
Если говорить исключительно о внешнем виде, то наш ответ — «нет», мы не сделаем его более красивым. Но зачем же тогда прибегать к ручной шлифовке? Разумеется, есть свои причины, одна из которых — человеческий фактор: станок предназначен для производства других станков, но он никогда не сможет воспроизвести изделие, точнее исходного образца. Поэтому, если мы хотим создать станок, который будет точнее исходного, необходимо начинать с нового исходного уровня — то есть с человеческих усилий. В данном случае под человеческими усилиями подразумевается ручная шлифовка.
Шлифовка и полировка — это вовсе не «безрассудная» или «самостоятельная» работа. На самом деле это метод копирования. Он практически идеально воспроизводит матрицу — эталонную плоскость, которая также изготавливается вручную.
Хотя шлифовка требует больших трудозатрат, это настоящая мастерская техника (технология высокого художественного уровня); возможно, обучить мастера по шлифовке сложнее, чем мастера по деревообработке. На рынке крайне мало книг на эту тему, особенно недостаточно материалов, объясняющих, почему именно шлифовка считается искусством. Возможно, именно поэтому шлифовка воспринимается как своего рода искусство.
01
С чего начать?
Если производитель решает вместо шлифовки использовать шлифовальный станок, то точность направляющей рейки его «мастер‑станка» должна быть выше, чем у самого нового шлифовального устройства.
Так откуда же берётся точность станка?
Она должна быть получена на более точном станке, либо основываться на другом методе, способном обеспечить действительно ровную поверхность, либо быть скопирована с хорошо выполненной плоской поверхности.
Мы можем использовать три способа построения окружностей, чтобы проиллюстрировать процесс формирования поверхности (хотя окружность — это линия, а не поверхность, её можно привести в качестве примера для объяснения концепции). Мастер может начертить окружность обычным циркулем; если он будет проводить карандашом вдоль круглого отверстия в пластиковой шаблонной форме, то перенесёт все неточности этого отверстия; если же он чертит окружность от руки, то точность окружности будет зависеть от его ограниченных навыков.
Теоретически плоскую поверхность можно получить путём чередующегося трения (лапования) трёх поверхностей. Для простоты представим три камня с достаточно ровными поверхностями. Если поочерёдно и в произвольном порядке тереть эти три плоскости, их поверхности станут всё более гладкими. Если же использовать только два камня, получится пара, где одна поверхность вогнута, а другая выпукла. На практике, помимо замены лапования шлифовкой, соблюдается чёткая последовательность сопряжения. Мастер по шлифовке обычно применяет этот принцип, чтобы изготовить необходимый эталонный инструмент — прямой калибр или плоскую пластину.
При выполнении работ мастер по шабрению сначала наносит проявитель на эталонный приспособление, после чего прикладывает его к поверхности детали и производит скольжение, чтобы выявить участки, подлежащие удалению. Если повторять эти действия многократно, поверхность детали будет постепенно приближаться к эталонному приспособлению, что позволяет воспроизвести на ней те же формы и структуры, что и на эталоне.
Отливки, подлежащие шабрению, обычно предварительно обрабатываются фрезерованием до размеров, превышающих конечные на несколько тысячных миллиметра, затем отправляются на термическую обработку для снятия остаточных напряжений, после чего возвращаются на полировку перед шабрением. Хотя шабрение требует значительного времени и высоких трудозатрат, оно способно заменить технологические операции, требующие дорогостоящего оборудования. Если же отказаться от использования шабрения, деталь придётся доводить на высокоточных и весьма дорогих станках.
Помимо высокой стоимости оборудования, задействованного на завершающей стадии обработки, существует ещё один фактор: при обработке деталей, особенно крупных отливок, часто приходится применять гравитационное зажимное усилие. Когда точность достигает нескольких тысячных миллиметра, такое усилие нередко приводит к деформации детали, что ставит под угрозу её точность после снятия зажима; кроме того, тепло, выделяющееся в процессе обработки, также может вызывать искажения формы детали.
В этом заключается одно из многочисленных преимуществ шабрения: здесь отсутствует зажимное усилие, а тепловыделение при шабрении практически равно нулю. Крупные детали поддерживаются тремя опорными точками, что исключает их деформацию под собственным весом.
Когда направляющая рельсового пути станка изнашивается, её можно восстановить путём повторного шабрения — это существенное преимущество по сравнению с выбраковкой станка или его отправкой на завод для разборки и переработки.
Если направляющие рельсового пути станка требуют повторного шабрения, эту работу могут выполнить штатные ремонтники завода, но также можно привлечь специалистов, работающих непосредственно на месте.
В некоторых случаях для достижения необходимой геометрической точности применяют как ручное, так и электрическое шабрение. Если направляющие нескольких рабочих столов и седел уже были обработаны шабрением и соответствуют требованиям, однако параллельность стола относительно шпинделя оказывается недостаточной (а исправить её крайне сложно), можно ли представить, какое мастерство потребуется, чтобы с помощью всего одного шабрения удалить нужное количество металла в правильном месте, не нарушая плоскостности и одновременно корректно устранив ошибку соосности?
Конечно, это не является целью шабрения, и его не следует использовать в качестве метода для исправления крупных ошибок соосности. Однако опытный мастер по шабрению способен выполнить подобную коррекцию за удивительно короткое время. Хотя этот метод требует высокой квалификации, он оказывается более экономичным, чем обработка большого числа деталей с целью достижения крайне высокой точности либо разработка надёжных или регулируемых конструкций, предотвращающих ошибки соосности.
02
Улучшение смазки
Практический опыт показал, что шабрение направляющих может уменьшить трение благодаря улучшению качества смазки, однако мнения относительно причины этого не едины. Общепринятая точка зрения заключается в том, что шабрение низких участков (а точнее — вырезанных ямок и масляных карманов, специально созданных для смазки) формирует множество крошечных полостей для хранения масла, которые затем заполняются маслом благодаря множеству мелких выступов вокруг.
Ещё одно логичное объяснение состоит в том, что шабрение позволяет поддерживать непрерывную масляную плёнку, благодаря чему движущиеся детали плавают на этой плёнке — именно такова цель любой смазки. Основная причина этого явления заключается в том, что такие неровные масляные карманы образуют множество пространств для удержания масла, затрудняя его утечку. Идеальное условие смазки — сохранение масляной плёнки между двумя гладкими поверхностями; однако в этом случае необходимо решать задачу предотвращения вытекания масла либо как можно скорее восполнять его недостаток. (Независимо от наличия скребка на поверхности направляющей, обычно предусматриваются масляные канавки, помогающие равномерному распределению смазки.)
Подобное утверждение заставляет людей сомневаться в значении площади контакта. Шлифовка уменьшает площадь контакта, но при этом обеспечивает равномерное распределение; именно распределение является ключевым моментом. Чем ровнее две сопрягаемые поверхности, тем равномернее распределяется контактная область. Однако в механике существует принцип: «трение не зависит от площади», то есть независимо от того, составляет ли площадь контакта 10 или 100 квадратных дюймов, для перемещения рабочего стола потребуется одинаковая сила. (Износ — совсем другое дело: при той же нагрузке, чем меньше площадь контакта, тем быстрее происходит износ.)
Я хочу сказать, что мы стремимся к лучшему смазывающему эффекту, а не к большей или меньшей площади контакта. Если смазка работает безупречно, поверхность направляющей никогда не изнашивается. Если рабочий стол трудно двигать из‑за износа, это скорее связано со смазкой, чем с площадью контакта.
два
03
Как выполняется шабрение?
Прежде чем выявить высокие места, которые необходимо снять, сначала наносим проявитель на эталонный шаблон (плоскую пластину или прямолинейный шаблон, если предстоит шлифовать V‑образную направляющую), затем проводим этим покрытым проявителем шаблоном по обрабатываемой поверхности направляющей; проявитель переносится на выступающие участки, после чего специальным скребком удаляем эти выступы. Эту процедуру повторяют до тех пор, пока на поверхности направляющей не образуется равномерный слой проявителя.
Конечно, мастер по шлифовке должен владеть различными методами. Здесь я расскажу о двух из них.
Перед нанесением красителя обычно аккуратно обрабатываем поверхность детали тупой напильником, чтобы удалить заусеницы.
Очищайте поверхность щеткой или рукой, но не тряпкой. Если использовать ткань, мельчайшие волокна, остающиеся на поверхности, могут создать ложные следы при последующем окрашивании высоких мест.
Сам мастер-скрепер проверяет свою работу, сравнивая стандартное приспособление с поверхностью рельса. Инспектору достаточно лишь сообщить мастеру‑скреперу, когда можно прекратить работу, поэтому ему не нужно беспокоиться о процессе скрепинга. (Мастер‑скрепер может самостоятельно отвечать за качество своей работы)
Раньше у нас существовал определённый стандарт, устанавливающий, сколько высоких точек должно быть на каждый квадратный дюйм и какая часть общей площади должна им соответствовать. Однако мы обнаружили, что практически невозможно точно контролировать площадь контакта, поэтому теперь количество точек на квадратный дюйм определяется лично мастером по шлифовке. В целом мастер стремится достичь нормы в 20–30 точек на квадратный дюйм.
В современном процессе шлифовки некоторые операции по выравниванию выполняются электрическими шлифовальными машинами — это тоже ручная шлифовка, но она позволяет избавиться от части трудоёмкой работы, делая процесс менее утомительным. Тем не менее, при выполнении тонких сборочных работ ощущения, возникающие при ручной шлифовке, по‑прежнему остаются неповторимыми.
04
Царапинный узор
Существует множество видов узоров. Здесь мы представляем несколько распространённых типов, таких как дугообразный узор, квадратный узор, волновой узор и веерообразный узор. Дугообразный узор в основном включает лунный узор и узор «ласточка».
1. Дуговой рисунок и метод шабрения
Сначала опустите лезвие левой стороной кромки, после чего проведите скребком по диагонали слева направо (как показано на рисунке а ниже). Одновременно поверните запястье левой руки, чтобы лезвие описывало дугу слева направо (как показано на рисунке б ниже), обеспечивая переход движения скребка с левой стороны к правой. Длина следа лезвия в продольном направлении обычно составляет около 10 мм. Весь процесс скребкового движения выполняется мгновенно, что позволяет формировать различные дугообразные узоры. Лезвие также можно проводить по диагонали справа налево: при надавливании силой запястьем левой руки правое запястье поворачивается, заставляя лезвие описывать дугу справа налево и обеспечивая переход скребка с правой стороны к левой.
три
Основной метод шабрения дугового рисунка
Основные моменты при выскабливании дуговых узоров: в зависимости от условий выскабливания и методов работы форма, размеры и угол вписывания выскабливаемого дугового узора существенно изменяются. Во‑первых, следует правильно подобрать скребок, поскольку ширина и толщина лезвия, радиус дуги лезвия и величина клиновидного угла оказывают определённое влияние на форму дугового узора; во‑вторых, необходимо контролировать диапазон вращения кисти и длину хода при нажатии и выскабливании; в‑третьих — использовать упругий эффект головки резца. Как правило, чем сильнее вращение кисти и чем короче ход при нажатии и выскабливании, тем меньше угол вписывания и тем более компактной получается форма выскабливаемого дугового узора, как показано на рисунке c выше.
(1) Лунный рисунок и метод шабрения
четыре
Перед выскабливанием карандашом на поверхности детали начертите квадрат с определённым шагом.
При выскабливании применяют тонкий скребок с дугообразным лезвием. Центральная линия плоскости лезвия образует угол 45° с продольной осью поверхности детали, а сама обработка ведётся спереди назад по детали.
(2) Рисунок ласточки и метод шабрения
Узор «ласточка» изображён на рисунке ниже. Перед выскабливанием карандашом на поверхности детали начертите квадрат с определённым шагом. При выскабливании используется тонкий скребок с дугообразным лезвием. Центральная линия плоскости лезвия образует угол 45° с продольной осью поверхности детали, а выскабливание выполняется спереди назад по детали. Распространённые методы выскабливания следующие:
пять
Сначала первым скребком выскабливается изогнутый узор, затем чуть ниже первого выскабливается второй изогнутый узор, таким образом можно получить узор, напоминающий ласточку, как показано на рисунке b выше.
2. Квадратный рисунок и метод шабрения
Квадратный узор представлен на рисунке ниже. Перед выскабливанием карандашом на поверхности детали начертите квадрат с определённым шагом. При выскабливании центральная линия плоскости инструмента образует угол 45° с продольной осью поверхности детали, а выскабливание ведётся спереди назад по детали. Основной метод выскабливания заключается в использовании узкого скребка с прямым краем (или с дуговым краем большого радиуса) для короткого нажимного выскабливания. После выскабливания первого квадрата необходимо оставить свободное пространство шириной в один квадрат перед выскабливанием второго квадрата.
шесть
3. Волновой рисунок и метод шабрения
Волнистый рисунок показан на рис. а. Перед шабрением карандашом нанесите на поверхность детали квадрат с определённым шагом. При шабрении ось плоскости корпуса инструмента должна быть параллельна продольной оси поверхности детали, а шабрение выполняется от задней части детали к её передней. Основной метод шабрения заключается в следующем: используйте зубчатый шабер, выберите положение резца (обычно — точку пересечения), после опускания резца переместите его по диагонали влево. Когда резец достигнет определённой длины (как правило, точки пересечения), переместите его по диагонали вправо и затем поднимите резец, как показано на рис. б ниже.
семь
4. Фан‑узор и метод скребковой обработки
Веерообразный рисунок изображён на рис. а. Перед шабрением карандашом нанесите на поверхность детали квадрат и линию угла с определённым шагом. Для выполнения веерообразного рисунка применяют крюкообразный шабер (как показано на рис. б ниже). Правый конец лезвия должен быть заточен, левый — слегка тупым, а кромка — прямой. Основной метод шабрения заключается в следующем:
восемь
Выберите точку опускания инструмента (обычно — точку пересечения), держите левую руку на расстоянии 50 мм от головки резца, прижимайте её влево, зафиксируйте левый конец лезвия как центр окружности и вращайте правой рукой по часовой стрелке. Углы вращения обычно составляют 90° и 135°. Правильный веерообразный рисунок представлен на рис. в выше. При неправильном приложении усилия легко одновременно обработать оба конца, что приводит к образованию рисунка, изображённого на рис. г выше. В этом случае следы шабрения получаются слишком мелкими и относятся к неправильному типу рисунка.