устройство для статико-импульсного иглофрезерования торцевой иглофрезой

Формула изобретения

Устройство для иглофрезерования, содержащее корпус иглофрезы в виде диска с расположенными на торце по периферии режущими элементами в виде пучков ворса, отличающееся тем, что пучки ворса изготовлены из V-образно изогнутых металлических проволочек, одним торцом жестко закрепленных на пластине, и установлены в отверстиях корпуса выпуклой частью к периферии и под углом к продольной оси корпуса с обеспечением контакта вершин пучков ворса с кулачковым диском, который закреплен неподвижно относительно корпуса и имеет выступы и впадины на внутренней поверхности и охватывает иглофрезу с возможностью обеспечения выпрямления консольной части пучка ворса при его набегании на выступ кулачкового диска, при этом консольная часть пучка ворса контактирует с опорой, расположенной в центральной части рабочего торца корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам и способам обработки иглофрезерованием со статико-импульсным нагружением инструмента.

Известна схема фрезерования тела вращения путем внешнего касания фрез, при этом используется вращение обрабатываемой заготовки и независимое вращение и врезная радиальная подача фрезы [1].

Известный способ обработки, реализуемый дисковой или цилиндрической фрезой, имеет ограниченные технологические возможности, низкую производительность и качество обработки.

Известна цилиндрическая щетка и способ механической обработки ею. Известная цилиндрическая щетка содержит установленную на корпусе обойму с цилиндрическими гнездами, в каждом из которых размещен стакан с пучком ворса, и упругий элемент, расположенный под стаканами и контактирующий с корпусом, при этом стаканы установлены в гнездах свободно, каждое гнездо на внутренней поверхности имеет кольцевую проточку, а на наружной поверхности стакана выполнен кольцевой выступ, ширина которого меньше ширины проточки гнезда, причем упругие элементы размещены в канавках корпуса, кроме того, на упругих элементах смонтированы отражатели [2].

Известная цилиндрическая щетка и способ обработки, реализуемый ею. Известная цилиндрическая щетка имеет ограниченные технологические возможности, не позволяет производить резание неровностей значительной глубины, не позволяет управлять усилием прижатия пучков ворса к обрабатываемой поверхности, т.е. не позволяет управлять глубиной резания, что снижает производительность и качество обработки.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей иглофрезерования благодаря использованию импульсного нагружения режущего инструмента, позволяющее управлять глубиной режущего слоя, микрорельефом поверхности, а также повышение качества, точности и производительности обработки благодаря использованию импульсного нагружения многоэлементного режущего инструмента.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для иглофрезерования, которое содержит корпус в виде диска, с расположенными на торце по периферии режущими элементами в виде пучков ворса, причем пучки ворса изготовлены из V-образно изогнутых металлических проволочек, одним торцом жестко закрепленных на пластине, при этом пучки ворса установлены в отверстиях корпуса выпуклой частью к периферии под углом к продольной оси, причем вершиной изогнутые пучки контактируют с кулачковым диском, который закреплен неподвижно относительно корпуса и имеет выступы и впадины на внутренней поверхности и охватывает иглофрезу так, что при набегании пучка на выступ его консольная часть выпрямляется, кроме того, консольная часть пучка контактирует с опорой, расположенной в центральной части рабочего торца корпуса.

Сущность конструкции и работы предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена наладка для обработки заготовки вала, установленного в трехкулачковом самоцентрирующем патроне токарного станка с поджатием задним центром, предлагаемым устройством, продольный разрез, левый пучок ворса условно показан под импульсной нагрузкой; на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1, пучки ворса в положении статической нагрузки; на фиг.3 - вид снизу по Б на фиг.1, пучки ворса в положении импульсной нагрузки; на фиг.4 - элемент В на фиг.1, пучок ворса нагружен только постоянной статической нагрузкой Р_СТ; на фиг.5 - элемент В на фиг.1, пучок ворса нагружен импульсной нагрузкой Р_ИМ ; на фиг.6 - схема наладки для обработки плоской поверхности, общий вид устройства.

Предлагаемое устройство служит для иглофрезерования поверхностей тел вращения 1 с постоянным статическим и периодическим импульсным нагружением пучков ворса 2 из V-образно изогнутых металлических проволочек. Обрабатываемой заготовке вала 1 сообщают вращательное движение V_З , режущим элементам 2 - вращательное движение V_И, продольную подачу S_ПР и поперечную S_П ручную подачу для установки натяга (см. фиг.1).

Кроме того, устройство позволяет обрабатывать плоские поверхности 3, которым сообщают возвратно-поступательную продольную подачу S _ПР, поперечную S_П ручную подачу для установки натяга и вращательное движение V_И инструменту 2 (см. фиг.6).

Предлагаемое устройство содержит корпус 4 в виде диска с расположенными на торце по периферии режущими элементами в виде пучков ворса 2. Пучки ворса 2 изготовлены из V-образно изогнутых металлических проволочек, которые одним торцом жестко закреплены (например, точечной сваркой) на пластине 5. Пучки ворса 2 с пластиной 5 установлены в отверстиях корпуса 4 выпуклой частью к периферии под углом к продольной оси корпуса. Консольная часть пучков ворса своей вершиной изогнутых проволочек контактирует с кулачковым диском 6. Кулачковый диск 6 неподвижно закреплен относительно вращающегося корпуса 4 на обечайке 7, которая неподвижно установлена с помощью фланца 8, например, на шпиндельной бабке (не показана). Высота обечайки 7 выполнена такой, что обеспечивает расположение кулачкового диска 6 на уровне вершин V-образно изогнутой консольной части пучков ворса 2.

Внутренняя поверхность кулачкового диска 6 выполнена в виде выступов 9 и впадин 10. Кулачковый диск 6 охватывает иглофрезу так, что при набегании пучка ворса 2 на выступ 9 его консольная часть выпрямляется (см. фиг.5) и увеличивается в длине, импульсно с большей силой Р_ИМ воздействуя на обрабатываемую поверхность. При дальнейшем вращении иглофрезы вершины V-образно изогнутых пучков ворса совмещаются с впадинами 10 (см. фиг.4) и занимают первоначальное V-образное изогнутое положение. В этом положении длина консольной части пучка уменьшается и уменьшается сила воздействия на обрабатываемую поверхность до значения Р _СТ, первоначально настроенной и установленной с помощью ручной поперечной подачи

S_П. Возвращение пучков ворса в первоначальное изогнутое положение и заполнение впадины происходит под действием упругих сил, которыми обладают иголки иглофрезы.

Помимо контакта с кулачковым диском 6 с наружной стороны консольная часть пучков ворса 2 с внутренней стороны опирается на опору, выполненную в виде шайбы 11, которая закреплена в центральной части на торце корпуса.

Для того чтобы пучок ворса 2 не терял цилиндрическую форму и не "рассыпался", как вариант он может быть стянут кольцом 12 в месте изгиба проволочек, на уровне действия кулачкового диска 6 (см. фиг.4-5).

Угол изгиба пучков проволочек к плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, зависит от величины припуска, снимаемого предлагаемым иглоинструментом, и длины изогнутых металлических проволочек пучков ворса и подбирается экспериментально в каждом конкретном случае.

При действии на изогнутые пучки ворса выступов кулачкового диска, выпрямляя их, создается импульсная нагрузка Р_ИМ и совместно с вращательным движением заготовки V_З происходит внедрение иголок в обрабатываемую поверхность, резание и снятие стружки. Такой импульсный режим резания позволяет интенсифицировать процесс иглофрезерования.

В результате набегания изогнутых пучков ворса на выступы кулачкового диска в пучках ворса возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать на обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов. Дойдя до обрабатываемой поверхности, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы резания, которая интенсифицирует процесс.

Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструмента экспериментально.

В результате воздействия выступов кулачкового диски на изогнутые пучки ворса последние своими иголками оказывает режущее воздействие с импульсной нагрузкой, направленной поперек обрабатываемой поверхности.

Периодическая импульсная нагрузка Р_ИМ должна быть больше суммарной силы, требуемой для деформации по выпрямлению изогнутой части пучков ворса, и силы, необходимой для резания.

В результате набегания выступов кулачкового диска на изогнутые пучки ворса, выпрямляя их, последние воздействуют на обрабатываемую поверхность с цикличностью, задаваемой размерами и количеством выступов и впадин кулачкового диска. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами пучков ворса.

Производительность обработки предлагаемым устройством повышается и снижается величина шероховатости благодаря биениям и вибрациям пучков ворса иглофрезы.

Если припуск будет не большим (менее 1 мм), то предлагаемое устройство работает как упрочняющее, без снятия стружки, так как металлические проволочки консольной части пучка полностью не выпрямляются.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, обработанного и упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки вала. Значения технологических факторов (частоты ударов, диметр инструмента, величины подач) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность ударного и режущего воздействия на элементарную площадку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6 10. Дальнейшее увеличение кратности деформирующего и режущего воздействия ведет к возникновению больших инерционных сил и вибраций, которые отрицательно влияют на качество обработки.

Перед началом работы новым инструментом правили рабочую поверхность проволочного ворса путем плоского шлифования в собранном виде. В качестве ворса применяли стальную пружинную проволоку диаметром 1,5 3 мм из стали 65Г.

В процессе обработки наружной поверхности вращающейся заготовки пучки проволочного ворса обрабатывают заготовку с переменной силой. Когда пучки находятся во впадинах, они воздействуют на заготовку с силой Р_СТ, при набегании пучков на выступы действует ударная импульсная нагрузка Р_ИМ.

При действии как статической Р_СТ, так и импульсной Р_ИМ нагрузок на рабочие пучки ворса основное силовое воздействие на обрабатываемую поверхность осуществляют первые по ходу вращения проволочные элементы, имеющие свободную длину и прогиб. Соседние с ними проволочные элементы, упруго поджимают их, несколько увеличивая сосредоточенное суммарное воздействие на обрабатываемую поверхность.

Для осуществления обработки резанием необходимо, чтобы твердость и предел прочности при растяжении материала проволочных элементов ворса были выше этих параметров материала обрабатываемой заготовки в 1,5 2 раза, коэффициент К_п плотности проволочного ворса в пределах 0,7 0,9; при этом натяг должен составлять 0,7 1,5 мм. Режимы работы инструмента можно рекомендовать следующие. Окружная скорость заготовки 0,2 0,5 м/с. Продольная подача определяется по формуле S _ПР=L·n (мм/мин), где n - частота вращения заготовки, мин^-1; значение L (мм) зависит от натяга и диаметра инструмента и определяется опытным или расчетным путем.

Испытания устройства при обработке заготовки вала из горячекатаного проката из стали 20 показали, что оно срезает с обрабатываемой поверхности окалину вместе с оставленным припуском, усилие прижатия пучков ворса к обрабатываемой поверхности заготовки составляет 200 600 Н на 10 мм ширины рабочей поверхности пучков, а тангенциальная составляющая силы резания равна 150 550 Н.

Для обработки предлагаемым устройством необходимо соблюдать условия К_р=Р_ИМ/ _в=1,5 2,0; где Р_ИМ - импульсное давление при иглофрезеровании, МПа; _в - предел прочности материала обрабатываемой заготовки, МПа.

Выбор соответствующего импульсного давления Р_ИМ зависит от физико-механических свойств материала проволочного ворса, от жесткости и плотности последнего, а также от угла наклона.

При обработке металлов предлагаемым устройством твердость обработанной поверхности повышается, в результате улучшается износостойкость обрабатываемой поверхности и качество обработки, снижается величина шероховатости обрабатываемой поверхности, а также увеличивается производительность обработки и долговечность инструмента. Величина силы импульсного нагружения инструмента составляла Р_ИМ=255 400 кН.

Производственные испытания показали, что предложенное устройство интенсифицирует процесс обработки благодаря воздействию импульсной нагрузки на режущие рабочие элементы, улучшаются условия самозатачивания проволочных элементов ворса.

Устройство расширяет технологические возможности иглофрезерования в комбинации с окончательным упрочнением, повышает качество и производительность обработки за счет сообщения пучкам ворса низкочастотных продольных колебаний, интенсифицирует процесс иглофрезерования и упрочнения за счет приложения к пучкам ворса поперечной импульсной силы, а также за счет увеличения зоны контакта инструмента с заготовкой.

Устройство позволяет путем замены кулачкового диска регулировать частоту и усилие импульсной нагрузки, которая позволяет легко оптимизировать процесс обработки в производственных условиях при изменении обрабатываемого материала, химико-термической операции, режущих проволочных элементов инструмента, технических условий, режимов резания.

Достигаемая в процессе обработки предлагаемым устройством предельная величина шероховатости составляет R_a=0,8 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 2,5 раза.

Микровибрации в процессе благоприятно сказываются на условиях работы предлагаемого устройства. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает резание и формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки.

При наложении колебаний рабочая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной срезаемого и упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования устройства и инструмента специальной формы с большим количеством режущих и деформирующих элементов, что позволяет увеличить производительность и снизить расходы на изготовление благодаря простоте конструкции.

Источники информации

1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т.Т.1 / Под. ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякого. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.331 333.

2. А.с. СССР 824969, МКИ³ А46В 7/10. Цилиндрическая щетка. Берков Б.В. 2809273-12; 08.08.79; 30.04.81. Бюл. № 16.