Способ ультразвуковой механической обработки

 

СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, при котором в режущем инструменте возбуждают продольные и крутильные колебания, отличающийся тем, что, с целью повьЕиения эксплуатационных характеристик деталей за счет получения регуляризованной поверхности в виде многозаходных винтовых канавок на поверхности скольжения, изменяют в процессе обработки значение отжимающей составляющей силы резания, дЛя чего меняют соотношение амплитуд продольной и крутильной составляющих колебаний с частотой, определяемой по формуле VP К f .277RtS , 1 скорость резания, мм/с; где К - заданное число выступов винтовых канавок; R радиус .обрабатываемой заго-щ товки, мм; «Л S подача, мм.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1:

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ABT0PCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ товки мм подача, мм. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3449146/25-08 (22) 08.06.82 (46) 23.01.84. Бюл. 9 3 (72) Г.Г..Палагнюк и О.В.Терешина (71) Ростовский-на-Дону ордена Трудового Красного Знамени институт сельскохозяйственного машиностроения (53) 621. Э. 048. 6 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 175375, кл. В 06 В 1/00, 1962 (прототип).

2. Комбалов В.С. Влияние шероховатости тел на трение и износ.

М., Наука, 1974. (54)(57) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, при котором в режущем инструменте возбуждают продольные и крутильные колебания, о т л и ч а ю шийся тем, что, с

„.80„„А

ЗШ В 23 В 37 00 /j В 24 В 1 04 целью повыаения эксплуатационных характеристик деталей за счет получения рвгуляризованной поверхности в виде многозаходных винтовых канавок на поверхности скольжения, изменяют в процессе обработки значение отжимающей составляющей силы резания, для чего меняют соотношение амплитуд продольной и крутильной составляющих колебаний с частотой, определяемой по формуле

Vp К

2/I R+- S

1 где Vp — скорость резания, мм/с; . К вЂ” заданное число выступов винтовых канавок;

Й вЂ” радиус обрабатываемой загс-щ

1068236

Изобретение относится к механической обработке на финишных операциях и может быть использовано в различных областях машиностроения при механической обработке на металлорвжущих станках для получения заданной регуляризованной поверхности обрабатываемой заготовки.

Известны способы получения заданной регуляризованной поверхности путем виброобкатывания: копирование )() или нарезание многоэаходных винтовых канавок, которые представляют собой длитвльныв технологические операции, проводимые после финишной операции точения или шлифования. При этом на- 15 пряжвннов состояние поверхности, радиусы закругления вершин и их распределение по высоте, как правило, различны и носят случайный характер распределения, что отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах контактируемых поверхностей, Наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмейт улучшает процесс пластической деформации, качество формообразующей поверхности, снижает интенсивность удельного износа режущего инструмента, уменьшает интегральные и циклические значения усилия резания и глубину деформированного слоя.

Известен способ механической обработки с сообщением инструменту или иэделию продольных и крутильных ультразвуковых колебаний t13. 35

Однако этот способ не позволяет получить заданной регуляризованной поверхности.

Теория контактирования, трения и изнашивания твердых тел устанавливает связь между параметрами шероховатости и важнейшими эксплуатационными характеристиками различных контактируемых пар механизмов и машин. Одной из важнейших закономерностей приработки шероховатых поверхностей является установление оптимальной равновесной шероховатости, независимой от первоначальной, т.е. шероховатости, полученной в процессе механической обработки или доводки поверхностей трения, когда последние распределены случайно по всему пе,риметру поверхности. Изучение особенностей влияния шероховатости, качества формообразования обрабатываемой поверхности на трение и изнашивание контактирувмых пар позволяет определить и прогнозировать величину равновесной шероховатости, а затем, исходя иэ заданной равновесной ше- 60 роховатости, определить и установить оптимальныв режимы и виды механической обработки для получеяия заданных поверхностей контактируемых пар ,трения. Для уменьшения времени приработки сопряженных поверхностей пар трения, как правило, используют поверхности с одинаковыми высотными характеристиками Н „или R „которые получают на основе обработки профилограмм заготовок, изготовленных в процессе механической обработки, например, путем шлифования, полирования, виброобкатывания и т.п. f23 .

Однако на эксплуатационныв свойства поверхностей оказывают влияние нв только высотные характеристики, но и закон распределения неровностей ! по высоте, коэффициент заполнения профиля, радиус закругления неровностей, шаг неровностей, регулярная и случайная составляющие профиля и другие параметры, Цель изобретения — повышение экснлуатационных характеристик деталей за счет получения равновесной шероховатости и регуляризованной поверхности в виде многоэаходных винтовых канавок на одной иэ поверхностей контактируемых пар трения (скольжения).

Укаэанная цель достигается тем, что согласно способу механической об.работки на финишных операциях, при котором на режущвм инструменте возбуждают коглплексные ультразвуковые колебательные смещения, продольные и крутильные, изменяют в процессе об работки значение величины отжймающей составляющей силы резания и объем пластической деформации обрабатываемого материала путем изменения соотношения амплитуд продольной и крутильной составляющих комплексных ультразвуковых колебаний с частотой, определяемой по формуле

Vp. К

2nR S где Vp — заданная скорость резания, мм/c; заданггое целое число выступов многоэаходных винтовых канавок в сечении заготовки; радиус окружности в сечении обрабатываемой детали эа один оборот, мм; подача эа один оборот, мм (знак + характеризует на правление захода винтовых канавок), Сущность способа базируется на особенностях динамики процесса резания при ультразвуковых методах обработки металлов и приработки регуляриэованных шероховатых поверхностей кинеМатических пар трения, например подшипников скольжения„ при трении беэ смазки, т.е. при сухом трении и при жидкостном трении . или граничном с относительно большими неровностями контактируемых поверхностей., Процесс приработки сопряженных контактируемых поверхностей сопро1068236 вождает ся сложными необратимыми явлениями, протекающими в тонком поверхностном слое, связанными с изменением физико-механических и теплофизических свойств поверхностных слоев, их макро- и микрогеометрией. В результате приработки происходит пластическое деформирование, сглаживание и изнашивание наиболее выступающих неровностей, полученных при механической обработке, частичное или полное их уничтожение и установление новых неровностей, отличных от первоначальных по форме и размерам и образующих равновесную шероховатость. 15

Нагрузка с одной поверхности трения на другую передается не по всей номинальной площади контактируемых поверхностей, а лишь по соприкасаю- 20 щимся между собой вершинам,. образующим фактическую площадь контакта.

При жидкостном или граничном трении поверхностей в начале приработки контактируемых пар вследствие разрыва масляной пленки происходит интенсивное деформирование и смятие отдельных выступов. По окончании приработки микровыступы приобретают более устойчивые размеры и Формы, обеспечивающие увеличение фактической площади контакта и наибольшую устойчивость масляной пленки. При этом понижаются среднее удельное давление и средняя температура на фактической площади касания, так как

35 после завершения процесса приработки устанавливается оптимальная (равновесная) шероховатость, при которой коэффициент трения или момент трения значительно уменьшаются. ,!

Таким образом, если такую равновесную оптимальную шероховатбсть придать регуляризованной поверхности, выполненной в виде многозаходных 45 винтовых канавок с плавным радиусом закругления, получаемых непосредственно в процессе механической обработки на финишной операции, например точения, то величина износа и длительность приработки таких пар будут минимальными при улучшении эксплуатационных свойств поверхности. Это обусловлено тем, что как в процессе приработки, так и в процессе эксплуатации при значительных

55 нагрузках образовываются ювенильные металлические поверхности в результате так называемого пленочного голодания (разрыва масляной пленки), которые создают мостики схваты- 60 вания за счет значительных удельных нагрузок с последующим их разрушешением, сопровождающимся образоваФ 1с нием продуктов износа в виде 4ешуи или металлической пыли. 65

Наличие многозаходных винтовых канавок с одной стороны способствует своевременному удалению продуктов износа, с другой — сравнительно быстрому восстановлению масляной пленки из-за наличия масла в самых винтовых канавках. При этом размер и распределение пятен каждого иэ микровыступов, образующих фактическую площадь контакта при упругом деформировании, носят не случайный характер распределения по поверхности, а имеют регулярный закон распределения по вершинам (выступам) винтовых канавок. Причем ширину рабочей части выступов {вершин) винтовых канавок (беэ радиусов закругления) выбирают расчетным путем равной наибольшему диаметру пятен, образующих фактическую площадь контакта при упругом деформировании. выступов после их приработки.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 — схема реализации преобразования продольных колебаний в комплексные; на фиг. 3 — пример формообразования поверхности обрабатываемой детали.

Устройство содержит обрабатываемую деталь 1, режущий инструмент 2, выполненный в виде волновода, соединенного с магнитострикционным преобразователем 3, высокочастотные колебания,на который подаются от генератора 4, состоящего иэ задающего генератора 5, усилителя 6 мощности, блока 7 стабилизации резонансной частоты с выключателем В, блока 8 задания частоты, включающего высокочастотный кварцевый генератор 9, блок 10 деления и задания частоты и формирователь 11 формы управлякщего сигнала в виде пилы или синусоиды. На инструменте-волноводе 2 имеется участок 12, выполненный для преобразования продольных ультразвуковых колебаний в комплексные колебания (фиг. 2).

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе обработки детали 1, например вала подшипника скольжения, инструментом 2 на его режущей кромке возбуждают компле кс ные ультразвуковые колебательные смещения от магнитострикционного преобразователя 3, подключенного к выходу ультразвукового генератора 4. Преобразование продольных ультразвуковых колебаний магнитострикционного преобразователя 3 в комплексные колебания осуществляют (фиг. 2) эа счет участка 12, выполненного в виде витой части инструмента, которая наряду с усилением эа счет винтовых канавок, меняющих диаметр и шаг по

1068236

6 где ð

К заданная скорость резания, мм/с; заданное число выступов (или впадин) многозаходных винтовых канавок .по периметру в сечении обрабатываемой детали; радиус обрабатываемой дета-. ли, мм; подача, мм.

Форму модулирующего сигнала, синусоидальную или пилообразную, за Лают блоком 11.

Вторая резонансная частота

27 кГц соответствует комплексным ультразвуковым колебаниям с преобладанием крутильной или продольной составляющей в зависимости от ухода вправо или влево от резонансной частоты питающего напряжения преобразователя 3 ° При изменении частоты на

0,5 кГц в сторону повышения, т.е, прн Х = 27,5 кГц, частота соответству-60 вт комплексным колебаниям с преобладанием крутильной составляющей, а при понижении резонансной частоты на 0,5 кГц, т.в. < = 26,5 кГц, частота соответствует комплексным коле, экспоненциальному закону по всей длине инструмента, преобразовывает продольные колебания магнитострикционного преобразователя 3 в комплексные колебательние смещения с преобладанием крутильной или продольной составляющих в зависимости от частоты колебательной системы.

Например, при возбуждении продольных ультразвуковых колебаний резонансная частота составляет f< 20 кГц. 0

То есть, для получения заданной регуляриэованной поверхности изменение величины отжимающей составляющей силы резания и объема пластической деформации обрабатывае- 15 мого материала осуществляют путем возбуждения комплексных ультраэвуко" вых колебаний, меняющихся по определенному закону. Осуществляется это или управлечием мощностью ультраэву- 20 ковых колебаний или путем перестройки системы относительно резонансной частоты с помощью блока 8 задания частоты и формы модулирующего сигнала, Частоту управления мощностью 25 ультразвуковых колебаний или частоту . качания (перестройки) для получения заданной регуляризованнай поверхности в виде наклонных канавок под углом 45 относительно образующей обрабатываемой детали, а также для получения равновесной шероховатости, задают с помощью блока 10 деления частоты от высокочастотного кварцевого генератора 9 согласно формуле

35 р - К. байиям с преобладанием продольной составляющей.

Третья частота .= 30-37 кГц призводит к возбуждению чисто крутильных форм колебаний эа счет возбуждения только кромок волновода-инструментаа.

Таким образом, (фиг. 2) волновод позволяет возбуждать на режущем -клине различные формы колебаний.

При реализации способа используют среднюю резонансную частоту

27 кГц. Уход от резонанса на

0,5 кГц осуществляется по заданному закону изменения амплитуды и частоты, согласно рассчетной формуле, Комплексные колебания минимизируют колебательные смещения инструмента в радиальном направлении, от- ветственные, в основном, эа точностные параметры обработки, и приводят к значительному уменьшению усталостных напряжений в режущем клине эа счет значительного уменьшения продольной составляющей ультразвуковых колебаний в радиальном направлении. Наличие крутильной составляющей в ультразвуковых комплексных колебаниях на режущем инструменте уменьшает объем пластической деформации обрабатываемого материала, .уменьшает значение отжимающей составляющей силы резания, улучшает качество формообразования поверхности. (шероховатости) и приближает ее к равновесной шероховатости. Поэтому, модулируя соотношение продольной и крутильной составляющих с частотой получают оптимальную, близ2 (R-э ку к равновесной шероховатую поверхность с регуляризованным законом распределения выступов по длине заготовки и с заданным радиусом их закругления, Угол наклона непрерывных винтовых канавок по отношению к образующей детали составляет 45О, когда а5 =Я, где Д вЂ” длина волны модулированных колебаний. При изменении знака в зна-. менателе (+ на -) направление захода винтовых канавок rio часовой стрелке изменяется на противоположное, Значение оптимальной частоты модуляции f соотношения крутильной и продольной составляющих комплексных ультразвуковых колебаний получают из следующих соображений: на валу диаметром 2 h. (фиг., 3) необходимо получить целое заданное число микровыступов К, образующих по периметру фактическую площадь контакта подшипников скольжения, Для получения по периметру рбработки наклонных о винтовых канавок под углом 45 к образующей заготовок целое число разбиений К по длине окружности выбирают с учетом величины подачи, т.е. целое число разбиений укладывают

1068236

Составитель В.Дрожалова

Редактор И.Шулла Техред Л.ПилипенкО КорректорА.Дзятко

Заказ 11369/10 Тираж 1041 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4 не на длине окружности 2 IR а на длине окружности плюс величина подачи эа один оборот -2/(й- Ь.

Обозначим длину дуги разбиений от точки 1 до точки 2 через К. Тогда для получения наклона 45 выполняет". ся условие

Л вЂ” (2 R- Л(К-1)) = -5, отсюда ) = К где Д = Т ° Ур, T — период одного колебания выступов при вращении детали;

Ур — скорость резания.

Учитывая, что Т=1/ получаем формулу =., „ -,, определяющую частоту модуляцйи, необходимую для получе- 15 ния заданной регуляризованной поверхности в виде винтовых наклонных канавок под углом 45 о .

При изменении знака в знаменателе на противоположный, наклон винтовых канавок также меняет .свое направление .на противоположное °

Изменяя по указанной формуле частоту модуляции,и соотношение продольной и крутильной составляющих ультразвуковых колебаний или их мощность на режущий инструмент с помощью блока 8 задания частоты модуляции, можно получит ь заданную ре гуляризованную поверхность деталей, например подшипников скольжения, с оптимальной равновесной шероховат о ст ью и улучше н ными э к с илу ат ацио нными характеристиками пар скольжения в целом.

Применение способа позволит расширить область использования ультразвуковых методов обработки в результате повышения эффективности управления ультразвуковыми колебательными смещениями режущего инструмента и улучшения динамических характеристик протекания процесса резания в целом, повысить эксплуатационные характеристики деталей эа счет получения регуляризованной поверхности в виде многозаходных винтовых канавок на поверхности скольжения, минимизировать износ и длительность приработки пар трения, повысить производительность процесса обработки, исключив промежуточные технологические операции и получая при операции точения одновременно заданную равновесную шероховатость и регуляризованную поверхность скольжения.