Устройство для алмазно-абразивной обработки с планетарным осциллирующим движением

Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано при чистовой отделочной алмазно-абразивной обработке, например, при хонинговании отверстий заготовок из труднообрабатываемых металлов. В продольных пазах корпуса расположены брускодержатели, несущие расположенные снаружи алмазно-абразивные бруски. Предусмотрены минимум по две на каждый брускодержатель распорные штанги, установленные по скользящей посадке в радиальных, расположенных под острым углом к плоскости, перпендикулярной продольной оси, глухих отверстиях корпуса. Распорные штанги размещены с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль осей отверстий и одним торцом, выполненным сферическим, оперты в сферические днища отверстий брускодержателей. На другой торец штанг воздействует винтовая цилиндрическая пружина сжатия. Корпус имеет возможность вращения, относительного осевого перемещения и дополнительного планетарного вращения относительно дополнительной оси, эксцентрично смещенной относительно основной продольной оси. Устройство имеет простую конструкцию, позволяет повысить режимы и производительность обработки без ухудшения ее качества, повысить стойкость инструмента и облегчить съем материала. 8 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, к резанию труднообрабатываемых металлов, и может быть использовано при чистовой, отделочной алмазно-абразивной обработке, например при хонинговании отверстий.

Известно устройство для вибрационного хонингования, содержащее вибратор, выполненный в виде упорного подшипника и установленный с возможностью взаимодействия с брускодержателями, несущими хонинговальные бруски, причем оно снабжено установленными с каждой стороны подшипника в количестве двух штук шайбами с непараллельными торцами, выполненными под углом α/2 с возможностью плавного регулирования угла наклона от нуля до α, тягами, выполненными в виде пластинчатых пружин, втулкой с наружным диаметром D, при этом упорный подшипник выполнен двойным, установлен под углом α к плоскости вращения с помощью шайб, а втулка запрессована в среднем кольце двойного подшипника и соединена тягами с брускодержателями для сообщения последним вибрационного перемещения с амплитудой A_Г, определяемой из соотношения A_Г=Dcosα [1].

Недостатками известного устройства являются малые амплитуды вибрационных перемещений и невозможность регулирования частоты вибраций, которые прямо пропорционально влияют на производительность и качество обработки.

Известно устройство для алмазно-абразивной обработки со статико-импульсным нагружением, содержащее корпус и брускодержатели, несущие расположенные снаружи алмазно-абразивные бруски, при этом оно снабжено жестко закрепленной на корпусе втулкой с продольными пазами для брускодержателей, синусоидальными плоскими пружинами, на которые внутренней поверхностью опираются брускодержатели и которые одним концом жестко закреплены на корпусе, а другим шарнирно соединены с кольцом, входящим в привод изменения наружного диаметра, причем кольцо снабжено пальцами, контактирующими с байонетными пазами, изготовленными в корпусе под углом к продольной оси, и рукояткой, проходящей через паз во втулке, волноводом с рычагами, воздействующими на торцы брускодержателей и расположенными в пазах корпуса и втулки, винтовыми цилиндрическими пружинами сжатия, воздействующими на противоположные торцы брускодержателей, и бойком, расположенным в центральном продольном отверстии корпуса соосно с волноводом [2].

Недостатком известного устройства является высокая себестоимость изготовления заготовок из-за дороговизны и сложности конструкции применяемой оснастки, требующей специального гидравлического генератора импульсов, при этом устройство не отличается высокой производительностью и качеством обработки.

Задача изобретения - расширение технологических возможностей, снижение себестоимости изготовления заготовок благодаря упрощению конструкции применяемой оснастки, повышение производительности, точности и качества алмазно-абразивной обработки путем обеспечения осевого вибрационного возвратно-поступательного перемещения брусков за счет введения дополнительного планетарного движения, позволяющее регулирование и установление оптимальной частоты осцилляции, зависящей от частоты вращения инструмента.

Эта задача решается с помощью использования предлагаемого устройства для алмазно-абразивной обработки отверстий, содержащего корпус с продольными пазами, в которых расположены брускодержатели, несущие расположенные снаружи алмазно-абразивные бруски, удерживаемые от выпадения винтовыми цилиндрическими пружинами растяжения, свернутые в кольца и установленные в пазах около каждого торца брускодержателей, причем корпусу сообщают вращение и относительное осевое перемещение, при этом устройство снабжено минимум по две на каждый брускодержатель распорными штангами, установленными по скользящей посадке в радиальных, расположенных под острым углом к плоскости перпендикулярной продольной оси, глухих отверстиях корпуса с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль осей отверстий, при этом одним торцом, выполненным сферическим, вышеупомянутые штанги упираются в сферические днища отверстий брускодержателей, а на другой торец штанг воздействует винтовая цилиндрическая пружина сжатия, кроме того, корпусу сообщают дополнительное планетарное вращение относительно дополнительной оси, эксцентрично смещенной относительно основной продольной оси.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 показана схема алмазно-абразивной обработки предлагаемым устройством с планетарным осциллирующим движением, частичный продольный разрез; на фиг.2 - общий вид устройства сверху, вид по А на фиг.1; на фиг.3 - общий вид устройства сбоку; на фиг.4 - поперечное сечение Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - общий вид устройства сбоку, устройство повернуто на 180° относительно положения на фиг.3 относительно дополнительной оси; на фиг.6 - поперечное сечение В-В на фиг.5; на фиг.7 - развертка обрабатываемого отверстия и траектории осциллирующих движений алмазно-абразивных брусков; на фиг.8 - к расчету величины амплитуды осциллирующего движения.

Устройство 1 предназначено для чистовой отделочной обработки отверстий алмазно-абразивными брусками, совершающими осевые вибрационные возвратно-поступательные перемещения за счет введения дополнительного планетарного движения и эксцентричного смещения, позволяющие регулирование и установление оптимальной частоты, зависящей от частоты вращения устройства.

Предлагаемое устройство содержит корпус 2 с продольными пазами 3, в которых расположены брускодержатели 4, несущие расположенные снаружи алмазно-абразивные бруски 5. Брускодержатели установлены в пазах по беззазорной посадке с возможностью осциллирующих продольных и радиальных движений.

Пазы являются ответственной частью конструкции и служат для продольного и радиального направления брусков при их осциллирующем продольном и радиальном движениях.

Брускодержатели удерживаются от выпадения из пазов винтовыми цилиндрическими пружинами растяжения, свернутыми в кольца 6 и установленными в пазах около каждого торца брускодержателя.

Корпусу сообщают вращение относительно основной продольной оси со скоростью V_И и относительное осевое перемещение S_ПР, как при традиционном хонинговании отверстий.

Каждый брускодержатель опирается минимум на две распорные штанги 7, которые установлены по скользящей посадке в радиальных, расположенных под острым углом β к плоскости перпендикулярной продольной оси глухих отверстиях 8 корпуса с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль осей этих отверстий.

Одним наружным торцом 9, выполненным сферическим, штанга 7 упирается в сферическое днище глухого отверстия, играющего роль подпятника, изготовленного на внутренней стороне брускодержателя. На другой внутренний торец штанги воздействует винтовая цилиндрическая пружина сжатия 10. Пружина 10 вставлена в глухое отверстие 8 и, будучи сжатой, создает необходимое усилие резания алмазно-абразивными зернами брусков обрабатываемой поверхности.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что корпусу сообщают дополнительное планетарное вращение V_пл относительно дополнительной оси, эксцентрично смещенной на величину эксцентриситета «е» относительно основной продольной оси.

Устройство работает следующим образом.

В глухих радиальных отверстиях корпуса установлены винтовые цилиндрические пружины сжатия 10, благодаря которым создается статическая нагрузка, действующая на штангу, на алмазно-абразивный брусок и далее по нормали на обрабатываемую поверхность заготовки. Выбор конструктивных параметров пружин 10 зависит от конкретных условий обработки и технических требований к обрабатываемой поверхности.

Импульсное нагружение брусков осуществляется за счет введения планетарного вращения устройства, позволяющего приближать и удалять корпус относительно брусков.

Заготовка, как правило, неподвижна, а предлагаемому устройству сообщают возвратно-вращательное движение V_И, возвратно-поступательную продольную подачу S_ПР и планетарное вращение V_пл с эксцентриситетом «е».

Перед вводом устройства в обрабатываемое отверстие заготовки бруски должны быть сведены к центру известными способами и располагаться на меньшем диаметре, чем диаметр обрабатываемого отверстия D_отв. Т.е. оператор вручную с помощью специального приспособления (не показано), например, состоящего из двух полуколец с рукоятками уменьшает наружный диаметр брусков.

Как только устройство введено в отверстие вращающейся заготовки оператор освобождает бруски, которые под действием пружин 10 входят в контакт с обрабатываемой поверхностью. При приближении продольной оси корпуса к обрабатываемой поверхности отверстия, как результат планетарного движения, бруски совершают продольное перемещение на величину A_O.

Величина продольной амплитуды осцилляции A_O брусков зависит от эксцентриситета «е» смещения оси планетарного вращения относительно продольной оси корпуса и угла β наклона штанг к плоскости, перпендикулярной продольной оси.

Величина A_O определяется из треугольника KRM (см. фиг.8) и равна

A_O=2e·tg(90⁰-β) мм,

где е - эксцентриситет смещения оси планетарного вращения относительно продольной оси корпуса, мм;

β - угол наклона штанг к плоскости перпендикулярной продольной оси, град;

MR - максимальное расстояние от оси МК вращения корпуса до центра сферического торца штанги, измеренное вдоль продольной оси штанги, мм (см. фиг.3);

ML - минимальное расстояние от оси МК вращения корпуса до центра сферического торца штанги вдоль продольной оси штанги, мм (см. фиг.5);

RK - максимальное расстояние от оси МК вращения корпуса до центра сферического торца штанги, измеренное в плоскости перпендикулярной оси вращения корпуса, мм (см. фиг.3);

NL - минимальное расстояние от оси МК вращения корпуса до центра сферического торца штанги, измеренное в плоскости перпендикулярной оси вращения корпуса, мм (см. фиг.5).

В результате ввода планетарного движения бруски совершают продольное перемещение со скоростью V_O на величину A_O за один оборот планетарного движения корпуса, интенсивно воздействуя на обрабатываемую поверхность.

Как видно на развертке обрабатываемого отверстия, показанной на фиг.7, где показаны траектории осциллирующих движений алмазно-абразивных брусков, сочетание вращательного движения с возвратно - поступательным движением брусков устройства создает перекрестное движение алмазно-абразивных зерен и периодически изменяет резание и силу трения.

Помимо этого планетарное движение создает переменную нагрузку на бруски: P_MAX - при приближении оси корпуса к бруску - расстояние LN (фиг.5); P_MIN - при удалении оси корпуса от бруска - расстояние RK (фиг.3). При значительных скоростях, которые требуются для хонингования, возникает эффект удара бруска по обрабатываемой поверхности с цикличностью, равной частоте планетарного движения V_пл. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы резания. Возможность рационального использования энергии импульсной волны определяется размерами предлагаемого устройства.

Таким образом, происходит алмазно-абразивная обработка со статико-импульсным нагружением брусков, которая существенно улучшает качество обработанной поверхности и повышает в несколько раз производительность.

На начальной стадии обработку ведут при е≠0 с изменяющейся силой прижима брусков к обрабатываемой поверхности, что ведет к повышению качества обработки. На завершающей стадии обработку осуществляют при е=0 выхаживанием при соосном расположении заготовки и инструмента.

Повышение качества обработки происходит за счет обеспечения плавного изменения силы прижима абразивных брусков к обрабатываемой поверхности, а также за счет введения выхаживания при V_пл планетарной скорости устройства, равной нулю в конце обработки. Таким образом, с одной установки непрерывно и последовательно осуществляются размерная обработка и доводка поверхности отверстия.

В качестве примера проводилась обработка отверстия гильзы цилиндра 130-1002021 на вертикально-хонинговальном станке мод. 3М83С, оснащенным предлагаемой конструкцией устройства в виде хонинговальной головки и алмазными брусками АС6 80/63 50М1 (ГОСТ 25594-83) - 4 шт., опирающимися на штанги и винтовые цилиндрические пружины сжатия; панелью с электроконтактным датчиком-СП-231; автокалибром 8М-17729-02. Материал обрабатываемой заготовки - отливки гильзы цилиндра - специальный чугун, имеющий химический состав, %: С - 3,2…3,4; Si - 2,0…2,3; Mn - 0,5…0,8; Cr - 0,25…0,40; Ni - 0,10…0,25; P≤0,20; S≤0,15; Fe - остальное. Механические свойства чугуна: 170…241 НВ; σ_в≥206 Н/мм²; σ_из=432 Н/мм². Диаметр обрабатываемого отверстия ⌀100,56…⌀100,50 мм; шероховатость - R_a=0,32 мкм.

После сборки устройства для точного расположения бруски прирабатывались притирочной пастой на хонинговальном станке по отверстию хонингуемой (бракованной) гильзы при равенстве окружной скорости V_И и скорости продольного хода S_ПР. Притирочной пастой являлся абразивный порошок из зеленого карбида кремния зернистостью 5, смешанный с тавотом в пропорции 1:2. Пасту наносили кисточкой на алмазные бруски. Приработка алмазных брусков производилась до тех пор, пока площадь контакта не достигла 90%. Продолжительность притирки брусков составила 12,5 мин. Режимы алмазно-абразивной обработки: V_И=19 м/мин; S_ПР=37,7 м/мин; V_ПЛ=11,9 м/мин.

Значения технологических факторов выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность импульсного воздействия при обработке элементарной площадки обрабатываемой поверхности в диапазоне 6…10. Дальнейшее увеличение кратности осциллирующего воздействия незначительно влияет на эффективность обработки.

Величина силы статического поджатия брусков к обрабатываемой поверхности составляла Р_ст≥25…40 Н; P_им=55…85 Н. Величина хода штанг составляла - 7…13 мм.

Предлагаемое устройство позволило повысить производительность в 1,5…2 раза, исключить операцию получистовой алмазно-абразивной обработки благодаря улучшению шероховатости поверхности на 1…2 класса. При этом расход алмазно-абразивного материала снизился на 20%.

Импульсная нагрузка в сочетании с вращательным и возвратно-поступательным движениями устройства создают перекрестное движение алмазно-абразивных зерен и периодически изменяют резание и силу трения.

Благодаря этому облегчаются съем материала и стружкообразование, улучшается самозатачивание зерен, а переменные силы активно перераспределяются в плоскости резания и сила трения уменьшается в несколько раз.

Перекрестное движение со статико-импульсным нагружением увеличивает число активно работающих алмазно-абразивных зерен и интенсифицирует срезание выступов неровностей поверхности. При этом на обработанной поверхности формируется износостойкий регулярный микрорельеф с перекрестным направлением рисок и неровностями малой и однородной высоты.

Предлагаемое устройство обеспечивает низкую себестоимость изготовления заготовок благодаря простоте конструкции применяемой оснастки, не требующей специального генератора импульсов.

Предлагаемое устройство позволяет повысить режимы и производительность обработки в несколько раз без ухудшения качества обработанной поверхности. Кроме того, в таких условиях стойкость инструмента возрастает в два и более раз по сравнению со стойкостью при традиционной абразивной обработке, облегчаются съем материала и стружкообразование, уменьшается расход энергии на резание и трение.

Устройство целесообразно и эффективно использовать при обработке заготовок малой жесткости из труднообрабатываемых материалов и сплавов.

Источники информации

1. Патент 2146593, МКИ⁷ В24В 33/00, 33/02// В24В 1/04. Устройство для вибрационного хонингования. Степанов Ю.С., Афанасьев Б.И. и др. Заявка №98115880/02; 17.08.1998; 28.03.2000. Бюл. №8.

2. Патент 2291043, МКИ⁷ В24В 33/02, В24В 33/08. Устройство для алмазно-абразивной обработки со статико-импульсным нагружением. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И. и др. Заявка №2005124502/02; 01.08.2005; 10.01.2007. Бюл. №1 - прототип.

Устройство для алмазно-абразивной обработки, содержащее корпус с продольными пазами, в которых расположены брускодержатели, несущие расположенные снаружи алмазно-абразивные бруски, удерживаемые от выпадения винтовыми цилиндрическими пружинами растяжения, свернутыми в кольца и установленными в пазах около каждого торца брускодержателей, причем корпус установлен с возможностью вращения и относительного осевого перемещения, отличающееся тем, что оно снабжено минимум двумя для каждого брускодержателя распорными штангами, установленными по скользящей посадке в радиальных, расположенных под острым углом к плоскости, перпендикулярной продольной оси, глухих отверстиях корпуса с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль осей отверстий, при этом одним торцом, выполненным сферическим, упомянутые штанги оперты в сферические днища отверстий брускодержателей, а на другой торец штанг воздействует винтовая цилиндрическая пружина сжатия, причем корпус имеет возможность дополнительного планетарного вращения относительно дополнительной оси, эксцентрично смещенной относительно основной продольной оси.