Устройство для вибрационного резания

 

Изобретение относится к области токарной обработки материалов резанием, обработке труднообрабатываемых материалов. Устройство содержит отдельный привод, механизм качания, выполненный в виде эксцентрикового вала с подшипниковыми опорами в паре с эксцентриковой втулкой, и резцедержатель. Для снижения сил резания, дробления стружки и увеличения стойкости режущего инструмента оно снабжено дополнительной подшипниковой опорой, шатуном и торсионными втулками, при этом дополнительная подшипниковая опора установлена на эксцентриковой втулке, шатун установлен на дополнительную подшипниковую опору и шарнирно связан с резцедержателем, который установлен на оси, параллельной оси шатуна, а торсионные втулки размещены в шарнирах шатуна и резцедержателя. 4 ил.

Изобретение относится к токарной обработке материалов резанием с наложением вынужденных колебаний на режущий инструмент и может быть использовано для улучшения обрабатываемости деталей, в том числе и крупногабаритных, из труднообрабатываемых материалов в различных отраслях машиностроения.

Известны работы, в которых исследовано положительное влияние наложения вибраций на процессы формообразования. Вынужденные вибрации задают вибраторами следующих типов: механические, электромагнитные, электродинамические, магнитомеханические, гидравлические, гидромеханические, гидродинамические, электрогидравлические, пневматические, магнитострикционные и пьезоэлектрические. Практика показала, что устройства с вибраторами механического типа наиболее предпочтительны из-за универсальности, простоты изготовления и обслуживания.

Известно устройство вибрационного резания, в котором вершине режущего инструмента сообщают осевые колебания, то есть в направлении продольной подачи (вдоль оси вращения заготовки) [1]. Вибрации в осевом направлении обеспечивают увеличение переднего угла (эффект заострения режущей кромки) и удовлетворительную шероховатость (Ra= 2,5 мкм). Однако режущий инструмент имеет малый период стойкости.

Известно устройство вибрационного резания, в котором вершине режущего инструмента сообщают радиальные колебания, то есть в направлении поперечной подачи (перпендикулярно оси вращения заготовки) [1]. Вибрации в радиальном направлении обеспечивают уменьшение среднего значения сопротивления резания, способствуют дроблению стружки, но ухудшают шероховатость поверхности и снижают стойкость режущей кромки инструмента.

Известно устройство вибрационного резания, в котором вершине режущего инструмента сообщают тангенциальные колебания, то есть в направлении касательной к поверхности заготовки [1]. Вибрации в тангенциальном направлении обеспечивают снижение сил резания, увеличение периода стойкости инструмента, при этом шероховатость обработанной поверхности получается такая же, как и при обычном резании.

Известны устройства вибрационного резания, в которых вершине режущего инструмента сообщают колебания, одновременно сочетающие два или три направления [2].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство по авторскому свидетельству 429892 по классу B 23 B 25/02, публ. 1974 г. [3]. В этом устройстве вершине резца, установленной на одной горизонтали с осью вращения заготовки, от отдельного привода, с помощью механизма качания, выполненного в виде эксцентрикового вала с подшипниковыми опорами в паре с эксцентриковой втулкой, сообщают гармонические колебания в направлении плоскости, пересекающей направление продольной подачи. Известное устройство [3] содержит основание, на котором монтируют стойку, привод для сообщения резцедержателю, установленному на опоре с вкладышем, колебательного движения в плоскости, пересекающей направление продольной подачи, и механизм качания, выполненный в виде эксцентрикового вала с подшипниковыми опорами в паре с эксцентриковой втулкой, на которую установлен сухарь, скользящий в гнезде удлинения резцедержателя для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Вкладыш имеет две сопрягаемые со стойкой базовые поверхности: одну плоскую, обращенную к детали, и другую, эквидистантно расположенную относительно оси, проходящей через вершину резца.

Недостатком известного устройства является наличие зазоров между сухарем и гнездом удлинения резцедержателя в механизме качания, что ведет к потери части колебаний резца, появлению трения скольжения и шума при работе и как следствие этого - быстрый износ и заклинивание механизма.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в улучшении обрабатываемости труднообрабатываемых материалов путем сообщения вершине режущего инструмента гармонических колебаний маятникового типа, у которых амплитуда колебаний должна имеет функционально связанные между собой тангенциальную и радиальную составляющие, и в устранении потери амплитуды колебаний, замене трения скольжения трением качения, исключающим шум при работе, быстрый износ и заклинивание механизма за счет исключения зазоров в шарнирах и элементах преобразования движений.

Сущность работы предлагаемого устройства заключается в том, что при вибрационном резании вершине резца, установленной на одной горизонтали с осью вращения заготовки, от отдельного привода с помощью механизма качания, выполненного в виде эксцентрикового вала с подшипниковыми опорами в паре с эксцентриковой втулкой, сообщают гармонические колебания маятникового типа, амплитуда которых имеет тангенциальную (A_τ) и радиальную (А_r) составляющие, функционально связанные между собой.

Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что устройство для вибрационного резания состоит из отдельного привода, механизма качания, выполненного в виде эксцентрикового вала с подшипниковыми опорами и эксцентриковой втулкой, и резцедержателя. Предлагаемое устройство дополнительно содержит подшипниковую опору, шатун и торсионные втулки, при этом подшипниковая опора установлена на эксцентриковой втулке, шатун установлен на подшипниковую опору и шарнирно связан с резцедержателем, который установлен на оси, расположенной параллельно оси шатуна, а торсионные втулки размещены в шарнирах шатуна и резцедержателя. Подшипниковая опора устраняет зазоры в механизме качания и заменяет трение скольжения на трение качения. Торсионные втулки за счет упругих сдвиговых деформаций устраняют трение скольжения и зазоры в шарнирах шатуна и резцедержателя. Использование подшипниковой опоры и торсионных втулок ликвидирует потерю амплитуды колебаний, достигается бесшумность работы, надежность и долговечность конструкции устройства. Предложенное расположение шатуна обеспечивает отсутствие сдвига фаз между перемещениями кривошипа, длину которого образует эксцентриковый вал в паре с эксцентриковой втулкой, и вершиной резца, то есть максимальному отклонению кривошипа будет соответствовать максимальное отклонение вершины резца.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены на фиг.1 - принципиальная схема осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 - траектория перемещения вершины резца; на фиг.3 - устройство для осуществления предлагаемого способа, вид сверху; на фиг.4 - то же, вид справа.

Принципиальная схема предлагаемого изображена на фиг.1. В механизме выделены следующие звенья: А и D - оси вращения, жестко закрепленные на основании; АВ - кривошип с длиной ε, которая образована эксцентриковым валом в паре с эксцентриковой втулкой; ВС - шатун; CD - коромысло длиной L₁, DE - величина вылета вершины резца L₀, равная расстоянию от его вершины до оси качания D (т. Е - вершина резца), V - скорость вращения заготовки, ω - угловая скорость кривошипа АВ. Особенность вибрационного резания с использованием колебаний маятникового типа заключается в совместном воздействии вибраций в тангенциальном и радиальном направлениях. На фиг.2 схематично изображены траектории колебаний вершины резца, где штриховой линией показана вершина резца в крайних положениях, а основной - в среднем положении; ЕЕ_раб и СС_раб - рабочий ход, ЕЕ_обр и СС_обр - обратный ход вершины резца и коромысла соответственно; α - угол отклонения вершины резца. Из известных математических зависимостей очевидно, что, рассматривая ΔDЕЕ_раб, можно определить тангенциальную (A_τ) и радиальную (А_r) составляющие амплитуд: Из ΔС_обрС_рабD найдем угол отклонения вершины резца: sinα = 0,5•ε•L^-1₁. (2) Подставив формулу (2) в (1) найдем значения тангенциальной (A_τ) и радиальной (А_r) составляющих амплитуд: где ε - длина кривошипа АВ; L₀ - величина вылета вершины резца; L₁ - длина коромысла CD.

Предлагаемое устройство обеспечивает снижение сил резания, дробление стружки, увеличение стойкости режущего инструмента и удовлетворительную шероховатость поверхности. Сила резания уменьшается за счет облегчения процесса стружкообразования, так как в процессе обработки на обычную скорость резания накладывается скорость вибрационного движения вершины резца, создавая суммарный эффект динамического воздействия. Наличие радиальной составляющей _r, то есть перемещение вершины резца по горизонтали, способствует отрыву стружки от заготовки и ее дроблению. Стойкость резца увеличивается за счет уменьшения силы резания и сил трения по задней поверхности инструмента при обратном ходе траектории колебаний вершины резца. Кроме того, наличие прерывистого контакта режущей кромки с заготовкой обеспечивает периодическое охлаждение и позволяет более эффективно проникать СОЖ в зону резания. Динамический характер процесса резания облегчает стружкообразование за счет гидродинамического давления жидкости, проникшей через капиллярные щели, на элементы стружки при контакте режущей кромки с заготовкой.

Предлагаемое устройство изображено на фиг.3 и 4. Устройство содержит электродвигатель 1, корпус вибратора 2 и резцедержатель коробчатой формы 3, которые смонтированы на плите 4. Электродвигатель 1 соединен клиноременной передачей, состоящей из шкивов 5, 6 и ремня 7, с эксцентриковым валом 8, который установлен в корпусе вибратора 2 на подшипниковых опорах 9, фиксируемых съемными крышками 10 с уплотнениями. Зазоры в подшипниковых опорах 9 отрегулированы посредством шлицевой гайки 11. Между шкивом 6 и съемной крышкой 10 установлена дистанционная втулка 12. На эксцентриковый вал 8 надета эксцентриковая втулка 13. На эксцентриковую втулку 13 через подшипник 14 установлен шатун 15. Шатун 15 посредством пальца 16 и торсионных втулок 17 соединен с резцедержателем 3, причем последний установлен на оси, расположенной параллельно оси шатуна. Резцедержатель 3 имеет полуоси 18, которые установлены торсионными втулками 19 в серьгах 20.

Резцедержатель 3 предназначен для ориентирования и закрепления инструмента и сообщения ему гармонических колебаний маятникового типа. Конструкция резцедержателя 3 позволяет использовать стандартные резцы и отрегулировать положение вершины резца относительно оси качания так, чтобы они находились на одной горизонтали с осью вращения заготовки.

Устройство работает следующим образом.

При помощи электродвигателя 1 через шкивы 5, 6 и ремень 7 вращение передается на эксцентриковый вал 8. Основным параметром процесса обработки является частота колебаний инструмента, а второстепенным - амплитуда. Амплитуда колебаний регулируется плавно от нулевого значения до максимума за счет проворачивания эксцентриковой втулки 13 по эксцентриковому валу 8 с последующей фиксацией и закреплением. Эксцентриковый вал 8 в паре с эксцентриковой втулкой 13 образует звено переменной длины ε, то есть кривошип АВ (на фиг.1). Отсчет величины амплитуды осуществляется по круговой шкале, нанесенной на правом торце деталей 8 и 13. Частота колебаний инструмента изменяется перестановкой шкивов 5, 6 и зависит от передаточного отношения ременной передачи, которая также служит для предотвращения воздействия ударных нагрузок на вал электродвигателя и предохранения конструкции от поломки при перегрузке. Вращение от эксцентрикового вала 8 в паре с эксцентриковой втулкой 13 через подшипник 14 и шатун 15 посредством пальца 16 и торсионных втулок 17 передается на резцедержатель 3, который относительно оси вращения полуосей 18, опирающихся через торсионные втулки 19 на серьги 20, совершает гармонические колебания маятникового типа.

Для устранения трения скольжения и зазоров в шарнирах С и D (см. фиг.1) торсионные втулки 17 и 19 установлены с натягом на палец 16, резцедержатель 3, полуоси 18 и серьги 20, а колебательное движение передается за счет упругих сдвиговых деформаций:
где М_k=P_z•L₀ - крутящий момент;
P_z - главная составляющая силы резания;
L₀ - длина вылета вершины резца;
d - наружный диаметр торсионной втулки;
D - внутренний диаметр торсионной втулки.

Подшипниковая опора 14, установленная на эксцентриковой втулке 13, устраняет зазоры в механизме качания и заменяет трение скольжения на трение качения. Использование подшипниковой опоры и торсионных втулок ликвидирует потерю амплитуды колебаний, достигается бесшумность работы, надежность и долговечность конструкции устройства. Расположение оси шатуна 15 параллельно оси резцедержателя 3 обеспечивает отсутствие сдвига фаз между перемещениями кривошипа, длину которого образует эксцентриковый вал в паре с эксцентриковой втулкой, и вершиной резца, то есть максимальному отклонению кривошипа будет соответствовать максимальное отклонение вершины резца.

Частота колебаний и амплитуда устанавливаются исходя из диаметра детали, обрабатываемого материала и режима обработки. Причем частоту по возможности выбирают максимальной из диапазона низкочастотных колебаний, с целью локализации вибраций в зоне резания и предотвращения передачи их на станок и технологическое оборудование.

Источники информации
1. Подураев В. Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970, 350 с.

2. Кумабэ Д. Вибрационное резание. М.: Машиностроение, 1985, 424 с.

3. А. с. 429892 СССР, кл. В 25 b 25/02. Устройство для кинематического дробления стружки при токарной обработке /Г.А.Радощекин, В.А.Любимов, Ю.А. Шнурков Опубл. в Б.И. 1974, 20.

Формула изобретения

Устройство для вибрационного резания, содержащее отдельный привод, механизм качания, выполненный в виде эксцентрикового вала с подшипниковыми опорами в паре с эксцентриковой втулкой и резцедержатель, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной подшипниковой опорой, шатуном и торсионными втулками, при этом дополнительная подшипниковая опора установлена на эксцентриковой втулке, шатун установлен на дополнительную подшипниковую опору и шарнирно связан с резцедержателем, который установлен на оси, параллельной оси шатуна, а торсионные втулки размещены в шарнирах шатуна и резцедержателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4