Способ обработки отверстий и инструмент для его осуществления

 

Использование: машиностроение в частности при обработке точных конических отверстий с бомбинированной образующей в деталях типа колец подшипников качения. Сущность изобретения: берут абразивный конический, инструмент с образующей, совпадающей с касательной к поверхности конического бомбинированного отверстия в сечении его наибольшего диаметра, инструмент устанавливают совмещением наибольших диаметров его и конического бомбинированного отверстия: относительное осевое возвратно-поступательное движение абразивным брускам сообщают, перемещая их от малого к большему основанию конуса и возвращают в исходное положение, при этом каждому абразивному бруску сообщают возвратный поворот в осевом сечении вокруг точек на окружности, расположенных вне конического бомбинированного отверстия на расстоянии не менее 2 - 3 длин обрабатываемого отверстия. 2 с. п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению, может быть использовано при обработке точных конических отверстий с бомбинированной образующей в деталях типа колец подшипников качения, гильз и др.

Известны способы обработки отверстий инструментом с радиально-подвижными брусками, например, абразивными (авт. св. N 1450986, кл. B 24 B 33/02, 1989; Синтетические алмазы в промышленности. Киев: Наукова думка, 1974, с. 172 - 173; заявка N 4889316/08, кл. B 24 B 33/02, 1990), при которых заготовке и инструменту сообщают вращение и относительно осевое перемещение.

Однако аналогичные способы не позволяют обрабатывать внутренние бомбинированные поверхности вращения.

В качестве прототипа выбран способ обработки отверстий (заявка N 4889316/08, кл. B 24 B 33/02, 10.12.90), при котором заготовке и инструменту с подвижными в радиальном направлении посредством центробежной силы абразивными брусками сообщают вращательное движение в одну сторону и относительное осевое возвратно-поступательное перемещение. Способ-прототип позволяет обрабатывать точные отверстия без специального привода радиального перемещения абразивных брусков.

Однако этот способ ограничен по своим технологическим возможностям, так как не позволяет обрабатывать конические бомбинированные отверстия.

Известны инструменты для обработки отверстий абразивными брусками, содержащие корпус, держатели брусков с внутренним конусом (патент США N 2332463, кл. 51 - 339, 1943; авт. св. СССР N 1155428, кл. B 24 B 33/02, 1985).

Эти инструменты не позволяют поворачивать абразивные бруски в осевой плоскости во время контактирования с обрабатываемым отверстием.

В качестве прототипа выбран инструмент (авт. св. СССР N 1425060, кл. B 24 B 33/02, 1988), содержащий корпус, держатели брусков в виде упруго соединенных с корпусом консольных лепестков.

Инструмент-прототип имеет недостаток, заключающийся в невозможности равномерного радиального перемещения брусков с одновременным их поворотом в осевой плоскости под действием центробежных сил.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе обработки отверстий, при котором заготовке и инструменту с подвижными в радиальном направлении абразивными брусками, радиальное перемещение которых осуществляют посредством центробежной силы, сообщают вращательное движение в одну сторону и относительное осевое возвратно-поступательное движение, при обработке конических бомбинированных отверстий используют конический инструмент с образующей, совпадающей с касательной к поверхности конического бомбинированного отверстия в сечении его наибольшего диаметра, инструмент устанавливают совмещением наибольших диаметров его и конического бомбинированного отверстия, относительное осевое возвратно-поступательное движение абразивным брускам сообщают, перемещая их от малого к большему основанию конуса и возвращая в исходное положение относительно сечения наибольшего диаметра конуса, при этом каждому абразивному бруску сообщают возвратный поворот в осевом сечении вокруг точек на окружности, расположенных вне конического бомбинированного отверстия на расстоянии не менее 2 - 3 длин обрабатываемого отверстия от большего основания конуса так, что образующая рабочей поверхности абразивного бруска совпадает с касательной к поверхности конического бомбинированного отверстия в каждой последующей точке его осевого сечения.

Инструмент для осуществления способа обработки, содержащий корпус, держатели брусков в виде упруго соединенных с корпусом консольных лепестков, снабжен штырем с наружным цилиндром и жестко закрепленной на нем втулкой с внутренним конусом, а держатели брусков выполнены в виде цанги, закрепленной на корпусе с возможностью снятия, с наружным конусом, предназначенным для контактирования с внутренним конусом втулки, и внутренним цилиндром, предназначенным для контактирования с наружным цилиндром штыря, штырь установлен в центральном осевом отверстии корпуса с возможностью силового замыкания держателей брусков и быстрой смены его, причем после снятия штыря держатели брусков имеют возможность возвратно поворачиваться вместе с брусками вокруг сечения соединения с основанием цанги.

Таким образом, в предлагаемом способе обработке отверстий решается задача создания вполне определенной траектории движения абразивных брусков относительно заготовки. Способом обработки обеспечивается начальное положение абразивных брусков, совпадающее с наибольшим горловым сечением конического бомбинированного отверстия. Это положение абразивных брусков и является номинальным, относительно которого они совершают возвратно-поступательное осевое перемещение. Одновременно с возвратно-поступательным осевым движением происходит возвратный поворот абразивных брусков вокруг закрепленного основания, причем должна быть выбрана вполне определенная последовательность направления возвратно-поступательного осевого перемещения и возвратного поворота абразивных брусков. Так, после установки их в исходное номинальное положение направление их возвратно-поступательного осевого перемещения должно осуществляться от малого к большему диаметру конуса. При этом возвратный поворот абразивных брусков производят так, что точка контакта образующей рабочей поверхности их с образующей конического бомбинированного отверстия заготовки перемещается от большего диаметра конуса к меньшему диаметру. Если меньший диаметр расположен слева, а больший справа (как это выглядит при установке заготовки на, например, внутришлифовальном станке с правосторонней схемой установкой, как это и есть на большинстве станков), то абразивные бруски, находящиеся выше центральной оси отверстия, поворачивают по часовой, а ниже - против часовой стрелки. После того, как точка контакта инструмента и заготовки "добежит" до границ обрабатываемого отверстия, производят реверс возвратно-поступательного движения и возвратного поворота инструмента. Точка контакта "бежит" по образующей отверстия в обратную сторону. При выбранной в способе обработке траектории движения точка контакта каждого абразивного бруска и заготовки за весь цикл возвратно-поступательного и возвратного поворота остается в осевом продольном сечении, совпадающем с плоскостью симметрии каждого абразивного бруска. Если рассуждать от обратного, то любые другие варианты траектории относительного движения инструмента, другое номинальное положение инструмента относительно заготовки и другая последовательность направления возвратно-поступательного движения и возвратного поворота приводят к тому, что точка контакта будет уходить из одной осевой плоскости и будет перемещаться в пространстве, в том числе и раздваиваясь. Физически это будет означать, что контакт абразивных брусков с заготовкой при других вариантах траектории будет происходить по длине отверстия не однозначно, т. е. в отдельных зонах в центральной осевой плоскости - в одной точке, а в других зонах одновременно в двух точках. Это в свою очередь означает, что будут образовываться иные поверхности, отличные от конических бомбинированных отверстий с постоянным радиусом кривизны. Таким образом, любые другие варианты, отличные от предлагаемого способа обработки траектории относительного движения инструмента и заготовки, не позволяют решить поставленную техническую задачу. Гарантированный предлагаемым способом обработки характер контактирования инструмента и заготовки обеспечивает целенаправленное предсказуемое образование новой конической бомбинированной поверхности с постоянным радиусом кривизны с уменьшенными погрешностями формы, уменьшенной волнистостью и уменьшенной шероховатостью по сравнению с используемыми в подшипниковой промышленности способами. Наиболее распространен в подшипниковой промышленности способ обработки конических бомбинированных отверстий, основанный на многоступенчатости технологических операций, число которых в зависимости от технических требований, предъявляемых к детали, может колебаться в пределах трех-пяти. При трехступенчатом наборе две операции выполняют способом внутреннего шлифования, а одну - способом суперфиниширования. Внутреннее шлифование выполняют при этом при развороте бабки изделия в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Такой способ довольно сложен в наладке, а само внутреннее шлифование по сравнению с предлагаемым способом обработки менее производительно из-за существенно меньшей дуги и площади контакта шлифовального круга по сравнению с теми же параметрами предлагаемого инструмента. Предлагаемые способ обработки и инструмент позволяют уменьшить число технологических операций до двух. При трех технологических операциях предлагаемый способ по сравнению с промышленным вариантом позволяет повысить точность (прежде всего, точность формы и волнистость) и производительность, упростить наладку и конструкцию технологической системы и оборудования, сделать обработку экономичнее, так как отпадает необходимость точной наладки точного базирования заготовки и механизма поперечной подачи инструмента. При этом предлагаемый способ позволяет обрабатывать конические отверстия, как с уже имеющейся бомбиной, так и при отсутствии ее на поверхности заготовки, образуя ее при последующей обработке.

Отличительными признаками предлагаемого способа обработки отверстий является изменение структуры, выраженное в введении нового действия - непрерывного возвратного поворота абразивных брусков с центром поворота с определенными координатами; изменение характера известных действий, а именно введение вполне определенной последовательности и направления возвратно-поступательного осевого перемещения абразивных брусков относительно заготовки; изменение начального положения инструмента относительно заготовки, т.е. установки его, при котором совпадают его наибольший диаметр и конического бомбинированного отверстия; изменение наладочных параметров, а именно наладка движений относительно номинального положения инструмента, достигнутого при его установке.

В предлагаемом инструменте решается задача реализации предлагаемого способа на внутришлифовальном станке без использования механизма поперечной подачи инструмента, без точного базирования заготовки, например, на жестких опорах, обеспечения возможности правки и компенсации износа абразивных брусков, получения любого размера диаметра и образующих их в пределах размерного предела стойкости. Выполнение держателей брусков в виде цанги, закрепленной на корпусе с возможностью снятия, позволяет не меняя всего инструмента подобрать оптимальные условия работы абразивных брусков в части радиального усилия прижима их к обрабатываемой поверхности и обратного движения, а отсюда характера их возвратного поворота, расширять размерные интервалы применяемых абразивных брусков. Введение сменного штыря с наружным цилиндром и жестко закрепленной на нем втулки с внутренним конусом, установленного в центральном осевом отверстии корпуса, позволяет обеспечить силовое замыкание абразивных брусков при их правке, менять размерные интервалы применяемых абразивных брусков, а также компенсировать их износ.

На фиг. 1 представлена схема относительного положения абразивных брусков и заготовки; на фиг. 2 - инструмент для осуществления способа обработки, разрез А-А; на фиг. 3 - то же, вид сбоку; на фиг. 4 - то же, разрез Б-Б.

Способ обработки отверстий и инструмент в статике.

Заготовка 1 в виде кольца имеет коническое отверстие 2 с углом α_A наклона образующей в точке А, соответствующей среднему сечению профиля, с бомбинированным профилем 3 с радиусом R. Наибольший диаметр (расчетный) конического отверстия 2 ответствует сечению А''В'' наименьший диаметр - сечению А'В'. Расстояние между сечениями равно l - расчетная длина конического отверстия 2. Длина конического отверстия 2 равна L. Точки А' и А'' соответствующих сечений отстоят от точки А на угол αʹ относительно центра O_А кривизны бомбинированного профиля 3. Абразивные бруски 4 занимают начальное положение А''С''Б''. Они имеют возможность совершать возвратно-поступательное осевое перемещение вдоль оси OX и возвратный поворот вокруг точки Б, которая имеет возможность совершать только возвратно-поступательное осевое перемещение А'С'Б'. Расстояние Б''Б' между крайними положениями абразивных брусков 4 и 5 равно Б''Б'=В'Б'-В'Б''=(В'Е'+Е'Б')-(В'В''+В''Е''+Е''Б''), (1) где CʹKʹ= CʹEʹ-KʹEʹ= CʹEʹ-Y_Aʹ, (3) С'Е'=С'Е₂+Е₂Е'; (4) С''Е'' из ΔCʺAʺK₃: CʺEʺ = AʺK₃·tg(α_A+αʹ)+Y_Aʺ , (6)
Величина А''К₃=В''Е'' обычно задана.

Е₂Е' из ΔE₂EʹБʹ:
E₂Eʹ= EʹБʹ·tg2αʹ, (7)
Е'Б' из ΔEʹБʹCʹ:
EʹБʹ= CʹБʹ·cos(β+2αʹ), (8)

Величина Е''Б'' задается.

Y_Aʹ= Y_Aʺ-K₃Kʺʹ (10).
Величина Y_Aʺ задается.

К₃К'''=А''А_о;
А''А_о из ΔAʹAʺA_o;

Величина А'А'' задается.

Из ΔAʹAʺA_o:

Расстояние В''Б'' точки поворота абразивных брусков 4 до сечения А''В'' наибольшего диаметра конического отверстия 2 выбирают не менее (2 - 3) l с тем, чтобы величина из радиального перемещения была наименьшей (с учетом компенсации их износа).

Абразивные бруски 4 закреплены на держателях 6 брусков, выполненных в виде цанги, установленной на корпусе 7 с возможностью быстрой замены. Абразивные бруски 4 закреплены посредством планок 8, втулок 9, болтов 10 на держателях 6, каждый из которых является лепестком цанги. В корпусе 7 установлен штырь 11 с возможностью быстрой смены. На штыре 11 неподвижно закреплена втулка 12 посредством штифта 13. На держателях 6 выполнены внутренняя цилиндрическая поверхность 14, предназначенная для контактирования с штырем 11, и наружная коническая поверхность 15, предназначенная для контактирования с втулкой 12. При ввинчивании штыря 11 в корпус 7 имеется возможность силового замыкания держателей 6 вместе с абразивными брусками 4 на штырь 11 и втулку 12. После удаления штыря 11 из втулки 12 имеется возможность радиального перемещения держателей 6 вместе с абразивными брусками 4 под действием центробежной силы от оси I-I после начала вращения инструмента вместе с шпинделем 16 станка и к оси I-I под действием сил упругости после остановки шпинделя 16 и инструмента. На хвостовике корпуса 7 посредством кольца 17 установлена муфта 18 см возможностью быть неподвижной при вращающемся инструменте. На муфте 18 закреплен штуцер 19 с трубопроводом 20. В корпусе 7 имеются отверстия 21 - 24 и закреплены трубки 25, соединяющие корпус 7 с отверстиями 26 и 27 держателем 6. Смазочно-охлаждающая жидкость может быть под давлением подана через трубопровод 20, штуцер 19, муфту 18, отверстия 21 - 24, трубки 25, отверстия 26 и 27 в зону контакта абразивных брусков 4 с заготовкой 1.

Способ обработки отверстий и инструмент для его осуществления в динамике.

Перед началом операции обработки конического отверстия собирают инструмент с предварительно изготовленными абразивными брусками 4, представляющими собой конические сегменты с углом обхвата, например, 110^o при трех абразивных брусках. При этом размеры корпуса 7, держателей 6 выбирают такими, чтобы расстояние l_o, т.е. расстояние абразивных брусков 4 от точки из будущего поворота было не менее (2 - 3) l - расчетных длин конического отверстия 2 заготовки 1. Устанавливают инструмент на станок, например, внутришлифовальный. При этом хвостовик корпуса 7 свинчивают с шпинделем 16 станка, и трубопровод 20 соединяют с системой подачи СОЖ. Штырь 11 наименьшего диаметра, соединенный с втулкой 12, ввинчивают в корпус 7 до тех пор, пока не произойдет надежное силовое замыкание одновременно всех держателей 6 посредством касания их внутренней цилиндрической поверхности 14 с штырем 11, а наружной конической поверхности 15 с втулкой 12. Производят правку рабочей конической поверхности абразивных брусков 4, например, алмазом, под углом, равным углу наклона касательной к профилю конического бомбинированного отверстия в сечении наибольшего расчетного диаметра (наибольшего горлового сечения). Правку производят при вращающемся шпинделе 16 и инструменте. Затем вращение шпинделя 16 останавливают. В патрон шпинделя изделия (не показаны) устанавливают заготовку 1, например, наружное кольцо конического роликового подшипника. Из корпуса 7 инструмента удаляют штырь 11 с втулкой 12. После этого держатели 6 с абразивными брусками 4 под действием сил упругости сближаются с осью I-I на некоторое расстояние. Инструмент с абразивными брусками 4 осевым перемещением шпинделя 16 вместе с бабкой шлифовального круга вводят в коническое отверстие 2 до совмещения сечений наибольшего диаметра абразивных брусков 4 и отверстия 2. Это совмещение производят либо посредством системы регулируемых упоров, предварительно настроенных, либо другим каким-либо известным способом. Включают вращение заготовки 1, подачу СОЖ, вращение инструмента. При этом направления вращения инструмента и заготовки 1 совпадают, а разность из линейных скоростей на рабочих поверхностях и поверхностях конического отверстия 2 должна быть равна заранее выбранной скорости резания. Включают возвратно-поступательное осевое перемещение инструмента, происходящее вместе с шпинделем 16 и бабкой шлифовального круга. Границы Б''Б' этого перемещения обеспечивают, например, регулируемыми упорами, связанными с механизмом реверса продольной подачи бабки шлифовального круга. Обеспечивают определенную последовательность направления продольной подачи абразивных брусков: сначала в сторону от заготовки, а дойдя до точки Б', в обратную сторону. При осевом движении абразивных брусков 4 от т. Б'' к т. Б' вследствие упругого прижатия их центробежной силой, развиваемой при вращении инструмента вокруг оси I-I, абразивные бруски 7 поворачиваются вокруг точки Б по часовой стрелке (фиг. 1). Прямая СА при скольжении от т. А'' к т. А' занимает положение от С''А'' до С'А' с поворотом ее на угол 2αʹ, заданный техническими требованиями на бомбинированный профиль конического отверстия 2. Скорость осевого возвратно-поступательного перемещения (продольной подачи) абразивных брусков 4 зависит от вида операции (черновой, чистовой, отделочной). При скольжении абразивных брусков 4 с возвратным поворотом их в осевом сечении происходит не только процесс образования бомбинированного профиля конической поверхности, но процесс уменьшения шероховатости. Одновременно в поперечном (радиальном) сечении происходит процесс резкого снижения периодических погрешностей формы в виде волнистости и особенно огранки, что объясняется большой дугой контакта абразивных брусков 4 с отверстием 2. После окончания обработки заготовки 1 все движения выключают, абразивные бруски 4 под действием сил упругости возвращаются к оси I-I, инструмент выводят из отверстия 2, заготовку 1 снимают со станка. Работа без правки продолжается в пределах стойкости абразивных брусков, составляющей 5 - 10 и более заготовок, в зависимости от конкретных условий обработки. Затем в корпус 7 ввинчивается штырь 11 с втулкой 12. Производят, например, упорами корректировку осевого положения инструмента на величину его размерного износа и все действия повторяются. Так продолжают обработку такого количества заготовок, пока не будет исчерпан размерный запас абразивных брусков 4, общую длину l_бр которых выбирают так, чтобы обеспечить этот существенный запас. После исчерпания указанного запаса используют штырь 11 следующего типоразмера, диаметр цилиндрической шейки, контактирующей с внутренней цилиндрической поверхностью 14 держателей 6, которого больше диаметра этой же шейки штыря 11 предыдущего типоразмера. Разница указанных диаметров выбирается из соображений возможности возврата инструмента в первоначальное осевое положение относительно первой заготовки. Далее процесс правки и обработки повторяется в цикле, аналогичном действиям при штыре первого типоразмера. За весь период размерной стойкости абразивных брусков 4 в зависимости от угла α конического отверстия 2 его диаметров и длины могут быть использованы несколько сменных штырей 11 с нарастающей величиной диаметра цилиндрической шейки. Способ обработки возможен в использовании и заготовок 1, у которых на коническом отверстии 2 отсутствует предварительно изготовленный бомбинированный профиль 3. Другими словами, он может использован и для черновой, предварительной обработки. В этом случае величина Б''Б' может быть увеличена по сравнению с чистовой и окончательной операцией и увеличена зернистость и изменены другие характеристики абразивных брусков, а также режимов обработки.

Пример. Необходимо обработать коническое отверстие с бомбинированным профилем наружного кольца 807813A.01 роликового конического подшипника. Угол наклона образующей в т. А α_A= 15° ± ⁴⁰. Диаметр наименьшего горлового сечения d = 91,312^+0,04. Расстояние между расчетным меньшим и большим сечениям по образующей А'А''= 16 мм. Расстояние т. А от базового торца кольца (со стороны малого горлового сечения) равно l_б = 13±0,5 мм. Ширина кольца 24_-0,15 мм. Высота бомбины (перепад профиля в продольном сечении) на длине А'А'' = 16 мм - 0,005^+0,005 мм. Радиус образующей бомбины в продольном сечении R = 5700_-1000 мм.

Задаются расстоянием абразивного бруска до точки его поворота Е''Б'' = 55 мм - из условий осуществления способа, величиной А''В'' = 10 мм - из конструкции инструмента; величиной В''Е'' = 3 мм. Расчетным путем определяют по формуле (1) - (12) требуемую величину осевого возвратно-поступательного перемещения абразивных брусков Б''Б' = 8 мм.

Устанавливают абразивные бруски из электрокорундового микропорошка зернистостью М40, полученные разрезанием шлифованных кругов в нужный размер. Закрепляют абразивные бруски 4 посредством болтов 10 и планок 8 на держателях 6. Устанавливают инструмент в шпиндель 16 внутришлифовального станка. Устанавливают заготовку 1 кольца в патрон. Далее выполняют действия в порядке, описанным выше. Частоты вращения заготовки n_з = 700 об/мин, инструмента n_и = 1200 об/мин.

После окончательной обработки коническое бомбинированное отверстие имеет шероховатость R_а = 0,3 - 0,5 мкм, огранку W_r = 0,4 - 0,8 мкм, волнистость W_B = 0,5 - 1,0 мкм, что укладывалось в допуск. Таким образом, способом заменены две технологические операции (по технологии ПО ГПЗ-9), упрощено технологическое оборудование. Кроме того, возможно сокращение производственных площадей, особенно при вертикальном исполнении станка.

Формула изобретения

1. Способ обработки отверстий, при котором заготовке и инструменту с подвижными в радиальном направлении абразивными брусками, радиальное перемещение которых осуществляют посредством центробежной силы, сообщают вращательное движение в одну сторону и относительное осевое возвратно-поступательное движение, отличающийся тем, что при обработке конических бомбинированных отверстий берут инструмент с конической образующей, совпадающей с касательной к поверхности обрабатываемого отверстия в сечении его наибольшего диаметра, и совмещают наибольшие диаметры инструмента и обрабатываемого отверстия, при этом относительное осевое возвратно-поступательное движение абразивным брускам сообщают, перемещая их от малого к большему основанию конуса и возвращая в исходное положение относительно сечения наибольшего диаметра конуса, причем абразивному бруску сообщают возвратный поворот в осевом сечении вокруг точек окружности, расположенной вне обрабатываемого отверстия на расстоянии не менее 2 - 3 его длин от большего основания конуса из условия совпадения образующей рабочей поверхности абразивного бруска с касательной к поверхности обрабатываемого отверстия в каждой последующей точке его осевого сечения.

2. Инструмент для обработки отверстий, на корпусе которого расположены держатели брусков, отличающийся тем, что инструмент снабжен установленным в центральном осевом отверстии корпуса съемным штырем с цилиндрическим концом и жестко закрепленной на ней втулкой с внутренним концом, а держатели брусков выполнены в виде установленной на корпусе съемной конусной цанги с внутренней цилиндрическим концом штыря, при этом цанга установлена с возможностью взаимодействия своей конусной наружной поверхностью с внутренней конической поверхностью втулки, а штырь установлен с возможностью силового замыкания держателей брусков, причем последние установлены с возможностью силового замыкания держателей брусков, причем последние установлены с возможностью поворота относительно основания цанги.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4