Эластичное шлифование: круги и лепестки

Условно станки c эластичным шлифовальным инструментом можно разделить на две группы. В первой на агрегатах используются полосы (лепестки) шлифовальной шкурки или щетки из абразивных волокон. Вторая группа представлена станками, оснащенными абразивными кругами различной степени жесткости: мягкими из нейлонового волокна на нетканой основе и более плотными – на полиуретановой или минеральной основе.

Лепестки для шлифовки

Простейшие лепестковые шлифовальные инструменты как иностранного, так и российского производства представляют собой закрепленные на оправке с помощью клея или компаунда расположенные радиально (веером) пакеты из отдельных лепестков абразивной шкурки (отсюда название «радиально­-лепестковые». – прим. автора).

Причем плоскость лепестка совпадает или параллельна оси вращения оправки. Сами лепестки изготавливаются из полос шлифовальной шкурки разной зернистости на бумажной или тканевой основе. Благодаря такой конструкции достигается высокая эластичность в осевом и радиальном направлениях, что в сравнении с другими эластичными инструментами аналогичного назначения позволяет обеспечить более плотное облегание лепестками шлифуемой поверхности. При использовании такого инструмента достигается неплохое качество обработки.

Для шлифования профильных деталей лепесткам на токарном станке или специальной оправке придают форму контрпрофиля, а в дальнейшем, за счет износа участков лепестков, контактирующих с обрабатываемой поверхностью, происходит самозатачивание инструмента.

Число лепестков на оправке зависит от вида основы шкурки и ее зернистости – чем грубее шкурка, тем меньше лепестков размещается на оправке. Основным недостатком таких шлифовальных инструментов является небольшой срок эксплуатации. Надо сказать, что зарубежные аналоги отличаются разнообразием для применения как в качестве ручного, так и станочного инструмента, позволяя производить шлифование деталей не только его цилиндрической, но и торцевой поверхностью.

По сути, лепестковый инструмент с подпорными щетками создан на базе инструмента с прямыми лепестками. На шестигранный вал надевается центральная пластиковая втулка с радиальными пазами, в которые вставляются двухслойные шлифовальные элементы. Каждый элемент состоит из прямоугольных лепестков шкурки с надрезами по ширине, за которыми по всей их площади крепятся плоские радиальные щетки из жестких синтетических волокон. Эти щетки поджимают лепестки шкурки к детали, позволяя инструменту сошлифовать более значительные припуски за счет увеличения жесткости инструмента, а также повышают его работоспособность вследствие исключения трения между двумя смежными лепестками.

После износа шлифовальных элементов они извлекаются из центральной втулки и заменяются новыми. Инструменты со свободными лепестками выполнены из набора шлифовальных дисков, установленных на шестигранном валу в облегченной оправке под углом к оси ее вращения. Отдельный диск изготавливается из полосы шкурки на тканевой основе, с одной стороны надрезанной по ширине конца на сегменты и развернутый в плоскости шкурки «в солнышко».

По внутреннему отверстию для придания диску жесткости шкурка скрепляется пластмассовой или алюминиевой обечайкой с двумя диаметральными пазами наподобие шлицевых. Оправка представляет собой набор плотных пенопластовых шайб, установленных между шлифовальными дисками на валу под углом к оси его вращения. На каждой из шайб имеются два шипа под пазы диска, исключающие его проворачивание на оправке.

По торцам набор дисков фиксируется двумя косо срезанными втулками и фланцами, позволяющими зафиксировать инструмент на валу оправки. Каждый из дисков при вращении описывает в плоскости детали «восьмерку», осциллируя с амплитудой до 120 мм при диаметре диска 250–300 мм. Под действием центробежных сил лепестки шкурки диска занимают положение по радиусу, за счет чего обеспечивается их прижим к шлифуемой поверхности, в том числе и к рельефной. Подобные диски могут собираться в шлифовальный барабан длиной более метра.

Такой инструмент используется для промежуточного шлифования «белой» древесины и устранения микронеровностей, например заваливания острых кромок. К изделиям, шлифуемым протяженными барабанами, относят межкомнатные двери, филенчатые дверцы мебельных гарнитуров, деревянные жалюзи и т.д. Для шлифования глубоких профилей используется инструмент с прямыми шайбами, который называется Quick-Star и работает без осцилляции. Однако, как и для станка с цельными лепестками, его недостатком является невысокая работоспособность.

Щеточный дисковый инструмент аналогичен по конструкции инструменту со свободными лепестками, однако в нем отсутствуют шлифовальные диски. В образующую поверхность шайб оправки инструмента вставляются обоймы с пучками жестких шлифовальных волокон – натуральных, синтетических, в том числе и с абразивными включениями – своеобразные шлифовальные щетки.

В последнее время для искусственного старения древесины – имитации патины довольно активно применяется щеточный дисковый инструмент, поскольку позволяет вышлифовывать в первую очередь более мягкую, раннюю древесину в текстуре ее годовых колец. Зачастую патина имитируется сначала металлическими щетками, а затем более мелкие неровности и волокна удаляются лепестковым инструментом.

Достаточно широко используется и комбинированный инструмент, в котором шлифование осуществляется как лепестковыми дисками, так и абразивными щетками. Однако при всех плюсах применения лепестковых инструментов существует и целый ряд минусов: высокая эластичность лепестков не позволяет обеспечить необходимое усилие в зоне контакта шлифовальной шкурки с деталью.

Это приводит к съему незначительного по толщине слоя материала, выглаживанию поверхности, но не позволяет убрать целый ряд дефектов предыдущей механической обработки. Разновидностью лепесткового инструмента, обладающего повышенной жесткостью, является шлифовальная система Quick-Strip. Она представляет собой цилиндрическую оправку, в ее пазы вставлены узкие полосы шлифовальной шкурки, за которыми смонтированы волосяные или синтетические плоские щетки. Эти щетки служат для создания усилия прижима полоски шлифовальной ленты к поверхности детали в процессе обработки поверхности детали.

Эластичные шлифовальные круги

К эластичному шлифовальному инструменту относят абразивные круги различной степени жесткости: мягкие из нейлонового волокна на нетканой основе и более плотные – на полиуретановой или минеральной основе. Самостоятельную нишу среди эластичного инструмента для шлифования погонажа и широких плоских поверхностей занимают абразивные круги Scotch-Brite – трехмерный абразивный инструмент.

Такие эластичные шлифовальные круги изготавливаются на основе нетканого синтетического моноволокна, на наружной поверхности которого с помощью синтетических смол приклеены абразивные частицы различной зернистости. Для чистового шлифования древесины (удаления волокон) в качестве абразивных частиц на волокнах круга используется тонкая абразивная фракция оксида алюминия, а для промежуточного шлифования поверхностей, покрытых лаком, – сверхтонкая фракция карбида кремния.

Такой круг имеет стабильную производительность и длительный срок службы (пока не будет израсходован весь абразив до минимального диаметра) и позволяет обработать до 10 км погонажа из древесины твердых пород. Абразивный круг сохраняет приданный ему профиль практически до полного износа, поэтому при уменьшении его диаметра нужно пропорционально увеличивать и частоту вращения, стараясь сохранять скорость резания одинаковой.

В системе управления станков, оснащенных подобным инструментом, предусмотрена функция автоматической периодической поднастройки суппорта на величину износа абразивного круга. Круги устанавливаются на оправку в наборе суммарной высотой несколько большей, чем высота (или ширина) обрабатываемой детали, поскольку они должны работать с перекрытием шлифуемой поверхности.

Зачастую такие шлифовальные агрегаты оснащены механизмом осцилляции. Поскольку масса таких кругов невелика, а рабочие частоты вращения не превышают 600–1500 об/мин, на шпиндель можно устанавливать «бутербродом» несколько кругов различной зернистости, что позволяет простым перемещением шпинделя по высоте обеспечивать на одном станке последовательно весь спектр режимов шлифования деталей – черновое, промежуточное и чистовое.

Существует эластичный профильный шлифовальный инструмент, выполненный на основе сегментов из упругой резины, на которые наклеивается абразивная шкурка. Конструкция таких шлифовальных головок может быть сборной, когда съемные сегменты устанавливаются на легкой унифицированной оправке из алюминия.

Эластичные абразивные круги на основе вспененного полиуретана применяются для тонкого шлифования и полирования различных пород древесины (в первую очередь – твердолиственных), плитных материалов, в том числе МДФ, и лакокрасочных покрытий. Данный абразивный инструмент разработан и серийно выпускается фирмой «Астра-2» (г. Москва) как в виде кругов, так и барабанов. Пенополиуретановые круги легко профилируются методом обратного шлифования крупнозернистыми шкурками и брусками.

Этот инструмент, по сравнению с существующими, обладает повышенной жесткостью и более эффективно удаляет верхний слой древесины при высоком качестве поверхности. Твердость круга по Шору составляет порядка 14 единиц. Используя такие круги для шлифования погонажа, можно искусственно состарить изделие (имитация патины), особенно из хвойных пород древесины. Кроме того, на базе данного абразивного материала выпускаются круги малого диаметра, которые можно использовать и в ручном электроинструменте, например в дрели.

Для шлифования различных пород древесины определенный интерес представляют круги, в которых в качестве абразивных зерен используется редкий природный минерал Garnet (гранатовый абразивный песок). Эти круги обеспечивают качественное шлифование различных пород древесины, в первую очередь – твердолиственных, легко профилируются и не засаливаются. Однако данный минерал достаточно дорог и в России не встречается. На малых предприятиях для обработки древесины используются ручные шлифовальные инструменты на основе щеточного и лепесткового инструмента.

Основой станка служит пневматическая турбинка, установленная внутри его ручки. На вал турбинки устанавливается шлифовальная оправка с лепестками или щетками. Поскольку шлифовальная оправка имеет небольшой вес, а силы резания незначительны, то работать с ним легко и удобно. В настоящее время станки, оснащенные эластичным инструментом, активно используются в деревообрабатывающей промышленности, в первую очередь – в мебельном производстве.

Каждый изготовитель такого оборудования, как правило, выпускает ряд шлифовальных станков, отличающихся конструктивными особенностями и технологическим назначением. Таким лепестковым инструментом оснащены отечественные станки для профильного шлифования погонажных изделий типа ШлПФ3-200Д фирмы «Простор» (г. Кострома). По технологической схеме он напоминает четырехсторонний продольно­фрезерный, у которого фрезы заменены шлифовальными лепестковыми головками.

Для шлифования профильных погонажных изделий на всех стадиях технологического процесса (белое шлифование, шлифование грунтовок, красок, лаков) можно использовать одно-, двух- и четырехсторонние шлифовальные станки, на которых в качестве абразивного инструмента применяются круги из вспененного полиуретана. Это станки марок ШСМ-1, ШСМ-2 и ШСМ-4, выпускаемые фирмой «Астра-2». Они служат для обработки деталей шириной до 120 мм и высотой до 80 мм и имеют механизированную подачу заготовки.

Кроме того, эти станки дополнительно оснащаются одним или двумя щеточными агрегатами, служащими для очистки шлифованной поверхности детали от древесной или лаковой пыли. Горизонтальные шпиндельные узлы такого станка могут разворачиваться на угол до 30° относительно горизонтальной оси.

Конструктивные особенности

Практически у всех шлифовальных станков с эластичным инструментом сила резания и инерционная сила вследствие малой массы инструмента невелики, поэтому они, как правило, имеют легкую сварную станину. Станина простейшего станка с ручной подачей представляет собой сварную треногу, на консоли которой закреплен стол, способный разворачиваться. Под ним на кронштейне установлен электродвигатель, на валу которого крепится оправка с лепестковым шлифовальным инструментом, выступающая над поверхностью стола.

Такой станок служит для ручного шлифования под различными углами выпуклых и вогнутых криволинейных поверхностей в условиях малых предприятий и мастерских. В станках с механической подачей щитовой шлифуемой заготовки ее подача осуществляется ленточным конвейером либо с вакуумным прижимом, либо по приводным цилиндрическим роликам.

Шлифовальные агрегаты станков с эластичным инструментом могут выполняться в виде вертикальных, горизонтальных или поворотных в вертикальной плоскости валов, роторных головок или конвейеров. В станках, оснащенных шлифовальными агрегатами на базе горизонтальных валов, обычно находятся два или четыре смежных агрегата, снабженные инструментом разной зернистости.

Они, как правило, устанавливаются последовательно друг за другом, вращаясь встречно в смежных парах. Шлифовальные агрегаты могут располагаться под углом порядка +/- 80° к вектору подачи и совершать осевое осциллирующее движение. Станки, оснащенные шлифовальными агрегатами на базе роторных шлифовальных головок, весьма разнообразны по конструктивному исполнению.

Существуют станки для шлифования щитовых деталей, в том числе и с пространственным рисунком, у которых шлифовальный агрегат представляет собой вращающийся на вертикальном валу роторный блок из 4–6 горизонтальных головок. Оси шлифовальных головок расположены звездообразно в горизонтальной плоскости. Так что вращение любых смежных головок в зависимости от вида детали осуществляется либо в одну сторону, либо встречно.

Кроме того, при вращательном реверсивном движении эластичных головок может быть задана последовательность циклов. В этом случае осуществляется продольно­поперечное шлифование, повышающее эффективность работы станка. Такой агрегат устанавливается неподвижно по центру станка, когда головки перекрывают всю зону шлифования, либо возвратно­поступательно перемещаются в направлении, нормальном подаче.

В некоторых конструкциях станков шлифовальный агрегат представляет собой роторный блок, у которого оси вращения шлифовальных головок располагаются по сторонам горизонтального многогранника. Шлифовальный агрегат в виде гусеничного конвейера может быть смонтирован на станке как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.

Так, для шлифования кромок мебельных деталей, в том числе и профильных, существуют простые станки с вертикальным расположением гусеницы, которая совершает еще и осциллирующее движение. Разновидностью таких агрегатов являются станки, произведенные по схеме duplex, когда конвейер выполнен «двухэтажным», причем на каждом этаже использована шкурка разной зернистости.

Для шлифования профильных поверхностей мебельных деталей из МДФ, в том числе отделанных и лакокрасочными материалами, шлифовальный агрегат может быть изготовлен и в виде гусеничного конвейера, расположенного параллельно поверхности шлифуемой детали. Дальнейшим развитием этой схемы шлифования явилось появление станков с гусеничным конвейером, установленным на вертикальной оси. Такая схема станка позволяет обеспечивать высокое качество шлифования поверхностей, отделанных лакокрасочными покрытиями.

Так, например, станок ROBA-Tech предназначен для чистового (белого) шлифования древесины, рельефных профилей после фрезерования на деталях из МДФ, промежуточного и окончательного шлифования лаковых покрытий вплоть до глянца. Его шлифовальный конвейер включает гусеницу с зажимными устройствами, в которые легко вставляются 174 сменных шлифовальных элемента требуемой зернистости.

В некоторых станках шлифовальный агрегат выполнен по принципу головки полотера, т.е. оснащен торцевыми шлифовальными щетками. Такой агрегат может иметь от 4 до 16 вращающихся в горизонтальной плоскости встречно круглых абразивных щеток, и, в свою очередь, сам вращается относительно станины. При этом шлифовальный агрегат может совершать осциллирующее движение в направлении, нормальном подаче. Шлифование в таких станках осуществляется как торцами щеток, так и кругов или лепестковых головок. Такой агрегат может располагаться на станке как горизонтально, так и вертикально.

Сегодня большинство станков выполняется по комбинированным схемам, когда наряду с агрегатами на базе шлифовальных валов устанавливаются роторные шлифовальные агрегаты или агрегаты в виде конвейера либо торцевых щеток. Примером может служить станок типа ШлД¬9 с шириной обрабатываемых деталей до 900 мм. В этом агрегате заготовка укладывается на ленточный конвейер, скользящий по неподвижному плоскому столу, и последовательно проходит сначала под роторным агрегатом с четырьмя головками, а затем под двумя шлифовальными лепестковыми встречно вращающимися цилиндрами длиной 950 мм, расположенными под углом 7–10° к нормали подачи.

Причем первый из цилиндров имеет положительный угол, а второй – отрицательный. Прижим щита к конвейеру осуществляется тремя подпружиненными вальцами. Станки для шлифования плоских и рельефных изделий, например филенчатых дверных полотен, позволяют одновременно шлифовать обе стороны детали. Механизм подачи в этом случае представляет собой два приводных конвейера, между которыми сверху и снизу смонтированы по два шлифовальных вала с лепестковыми или щеточными легкосъемными барабанами (как, например, в станке TU2 фирмы Quick Wood). Обычно такие барабаны вращаются встречно и снабжены системой осцилляции.

В подавляющем большинстве такие шлифовальные станки являются оборудованием проходного типа, когда заготовка движется через станок «на проход» и ее обработка осуществляется с момента подачи в станок до выхода из станка. Однако существуют и позиционные станки, в которых заготовка укладывается на неподвижный стол, а шлифовальные агрегаты, установленные на портале, шлифуют ее, двигаясь по направлению к станине.

При работе шлифовальных станков образуются отходы обработки – шлифовальная пыль: это древесные частицы и частицы лакокрасочных покрытий размером от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Среди них присутствуют и фрагменты абразива вследствие износа шлифовальных лент – вырывов и выкрашивания абразивных зерен. Для удаления этих отходов станки снабжаются мощными аспирационными устройствами, поскольку поверхность фракций шлифовальной пыли (парусность) невелика. К эффективности работы таких устройств по регламенту безопасной эксплуатации предъявляются повышенные требования.

Ведь недостаточное удаление отходов приводит к загрязнению производственного помещения и окружающего воздуха, отрицательно влияет на точность работы станка, его надежность и долговечность. Из­-за налипания пыли на внутренней стороне шлифовальной ленты на обработанной поверхности детали могут появиться полосы. Кроме того, шлифовальная пыль взрыво- и пожароопасна, поэтому запыленность станка как снаружи, так и внутри повышает опасность его воспламенения. Кроме того, контакт фрагментов ленты с металлическими узлами станка может вызвать образование искр.

В производственных условиях стараются обезопасить себя и не объединять аспирационные устройства шлифовальных станков с такими же устройствами другого деревообрабатывающего оборудования. Современные станки снабжаются специальными системами обдува шлифовальной ленты на базе высоконапорных вентиляторов. В ряде станков используются системы с набором вращающихся сопел.

Как правило, такие системы автоматически настраиваются на размеры обработки и очищают ленту, а иногда и все поверхности заготовок от пыли. Это позволяет не только очистить ленту, но и охладить ее, повысив тем самым срок эксплуатации. Также с обработанной поверхности детали пыль удаляется выглаживающим (на базе нетканых абразивных материалов) и щеточным валиками, установленными друг за другом.

Для устранения пыли с шлифовальных лент, дисков и барабанов некоторые фирмы выпускают системы сухой очистки с помощью специальных брусков. Так, компания Quick Wood производит квадратные бруски Quick-stick сечением 35х35 и 50х50 мм и длиной 203 и 305 мм, позволяющие вручную очистить шлифовальную ленту от пыли, смолы и клея без применения каких­либо жидких компонентов.

Иногда перед отделкой деталей лакокрасочными покрытиями в состав участка шлифования вводят специальные станки для очистки шлифованной поверхности от пыли. Чаще всего они представляют собой два щеточных агрегата, заключенные в пылеулавливающие кожухи с воронками для отвода пыли, которые установлены на станине над подающим конвейером.

Щеточные валы агрегатов вращаются в разные стороны: один по часовой стрелке, второй – против. Они эффективно убирают остатки шлифовальной пыли с детали. На выходе станка смонтирован вентилятор со щелевой насадкой для дополнительного обдува поверхности детали. Скорость подачи конвейера плавно регулируется с помощью частотного преобразователя, что позволяет встраивать его в технологические линии.

Шлифование сухой древесины и лакокрасочных материалов вызывает образование на детали и неметаллических элементах станка напряжения до 30 КВт, которое доставляет немало хлопот оператору, разряжаясь на него. В некоторых конструкциях на выходе из станка под кожухом, над обрабатываемой поверхностью детали монтируется устройство для снятия статического электричества с помощью ионизатора, направляющего поток заряженных ионов на отшлифованную поверхность.

Существует оборудование, позволяющее очищать поверхность шлифования от пыли и снимать с нее статическое электричество с использованием движущихся волосяных щеток, на которые наносится специальная гидрофобная жидкость. Управление современным шлифовальным станком просто и удобно. Для того чтобы диагностировать его техническое состояние, не нужно каких­то специальных знаний.

Для шлифуемой породы древесины и конечного назначения деталей оператор просто выбирает из предлагаемого станком меню рекомендованные, подходящие по зернистости шлифовальные элементы для каждого агрегата и устанавливает их. Система управления станком автоматически выбирает скорость подачи и усилие прижима ленты на каждом из агрегатов. Оператору остается лишь нажать кнопку «Пуск».

Номенклатура шлифовальных станков достаточно широка. Главное – определиться, для каких целей он нужен, что на нем будут обрабатывать – клееный мебельный щит или древесностружечную плиту, это будет «белая» древесина или лакокрасочное покрытие, поверхность плоская или рельефная, какова порода древесины, требуемая шероховатость изделия, размеры заготовки и т.д. Сегодня многие станкостроительные компании предлагают не только серийное оборудование, но и изготовление его на заказ в оригинальной комплектации.

К сожалению, российские станкостроители не могут похвастаться производством высокотехнологичного шлифовального оборудования. Все потребности деревообработчиков в таких станках покрываются за счет поставок оборудования в основном из Германии, Италии, а также из других стран. Однако что касается шлифовального инструмента, то тут проблем нет. Российские производства обеспечивают деревообработчиков практически всем спектром шлифовального инструмента.