пружинное устройство для последовательного шлифования и поверхностного пластического деформирования
Классы МПК: | B24B39/04 для обработки наружных поверхностей вращения |
Автор(ы): | Степанов Юрий Сергеевич (RU), Киричек Андрей Викторович (RU), Афанасьев Борис Иванович (RU), Фомин Дмитрий Сергеевич (RU), Самойлов Николай Николаевич (RU), Василенко Юрий Валерьевич (RU), Подзолков Максим Геннадиевич (RU), Селеменев Константин Федорович (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-09-13 публикация патента:
10.07.2008 |
Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к комбинированной отделочной обработке пружинным устройством. Пружинное устройство содержит корпус, индивидуальный электродвигатель, шестерню, подшипники скольжения и рабочие абразивно-алмазосодержащие и деформирующие элементы. Рабочие абразивно-алмазосодержащие и деформирующие элементы выполнены в виде эллипсовидных витков свернутой в кольцо винтовой пружины. Наружная рабочая поверхность абразивно-алмазосодержащих и деформирующих элементов выполнена с деформирующими участками и противоположно расположенными последним абразивно-алмазными участками. Свернутая в кольцо винтовая пружина установлена с возможностью вращения от индивидуального электродвигателя посредством шестерни. Свернутая в кольцо винтовая пружина выполнена с возможностью охватывания заготовки и установки на ней с натягом. При этом свернутая в кольцо винтовая пружина установлена в корпусе свободно и с возможностью вывертывания для обеспечения поверхностного пластического деформирования или шлифования заготовки. В результате расширяются технологические возможности, повышается производительность и снижается себестоимость устройства. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
Формула изобретения
1. Пружинное устройство для шлифования и поверхностного пластического деформирования, содержащее корпус и рабочие абразивно-алмазосодержащие и деформирующие элементы, отличающееся тем, что оно снабжено индивидуальным электродвигателем, шестерней и подшипниками скольжения, корпус выполнен с отверстиями в его боковых стенках, в которых смонтированы с возможностью свободного вращения подшипники скольжения, рабочие абразивно-алмазосодержащие и деформирующие элементы выполнены в виде эллипсовидных витков свернутой в кольцо винтовой пружины, наружная рабочая поверхность которых выполнена с деформирующими участками и противоположно расположенными последним абразивно-алмазными участками, нанесенными на упомянутую наружную рабочую поверхность эллипсовидных витков по дуге, центральный угол которой равен 90°< <180°, свернутая в кольцо винтовая пружина установлена с возможностью вращения от индивидуального электродвигателя посредством шестерни и выполнена с возможностью охватывания заготовки и установки на ней с натягом, при этом свернутая в кольцо винтовая пружина установлена в корпусе свободно и с возможностью вывертывания для обеспечения поверхностного пластического деформирования или шлифования заготовки, а подшипники скольжения установлены с возможностью контакта их торцов со свернутой в кольцо винтовой пружиной и расположены из условия обеспечения расстояния между их торцами, равного длине большой оси эллипсовидного витка.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено втулкой и оправкой с канавкой на ее наружной поверхности для осуществления вывертывания свернутой в кольцо винтовой пружины, упомянутая канавка выполнена шириной, равной не менее длины малой оси эллипсовидного витка, и глубиной, равной половине длины большой оси эллипсовидного витка, а втулка выполнена с возможностью установки в указанной канавке.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к отделочной комбинированной абразивно-алмазной обработке и обработке поверхностным пластическим деформированием заготовок валов, винтов и др. деталей тел вращения из сталей и сплавов, и касается конструкций многоэлементных абразивно-алмазных и деформирующих инструментов в виде винтовых пружин.
Известна конструкция абразивно-алмазного инструмента, содержащего корпус, по периферии которого в пазах жестко закреплены упругие абразивно-алмазосодержащие рабочие элементы, выполненные в виде винтовой пружины [1].
Недостатками известного инструмента являются: узкие технологические возможности, низкая производительность применительно к чистовой, отделочной обработке винтов и др. деталей типа валов из-за малого пятна контакта рабочих элементов с обрабатываемой поверхностью, а также низкое качество обработки.
Известна конструкция абразивно-алмазного инструмента, содержащего корпус, в пазах которого установлены рабочие абразивно-алмазосодержащие элементы, выполненные в виде винтовой пружины, причем пазы расположены в корпусе радиально [2].
Недостатками известного инструмента являются: узкие технологические возможности, низкие качество обработки и производительность применительно к чистовой, отделочной обработке винтов и др. деталей типа валов из-за малого пятна контакта рабочих элементов с обрабатываемой поверхностью.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей, заключающееся в улучшении параметра шероховатости обработанной поверхности благодаря последовательным действиям большого количества абразивно-алмазных и деформирующих элементов, в повышении производительности за счет увеличения пятна контакта этих элементов с обрабатываемой поверхностью и возможности применения больших подач, в снижении себестоимости процесса и удешевлении изготовления инструмента благодаря компактности и простоте конструкции, в возможности обрабатывать сложнофасонные тела вращения и нейтрализовать биения поверхности заготовки, которые отрицательно сказываются на качестве обработки, в разгрузке узлов технологической системы: станок - приспособление - инструмент - заготовка от односторонне приложенного усилия, особенно при обработке нежестких заготовок.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого пружинного устройства для последовательного шлифования и поверхностного пластического деформирования, содержащего корпус и рабочие абразивно-алмазосодержащие и деформирующие элементы, при этом оно снабжено индивидуальным электродвигателем, шестерней и подшипниками скольжения, корпус выполнен с отверстиями в его боковых стенках, в которых смонтированы с возможностью свободного вращения подшипники скольжения, рабочие абразивно-алмазосодержащие и деформирующие элементы выполнены в виде эллипсовидных витков свернутой в кольцо винтовой пружины, наружная рабочая поверхность которых выполнена с деформирующими участками и противоположно расположенными последним абразивно-алмазными участками, нанесенными на упомянутую наружную рабочую поверхность эллипсовидных витков по дуге, центральный угол которой равен 90°< <180°, свернутая в кольцо винтовая пружина установлена с возможностью вращения от индивидуального электродвигателя посредством шестерни и выполнена с возможностью охватывания заготовки и установки на ней с натягом, при этом свернутая в кольцо винтовая пружина установлена в корпусе свободно и с возможностью вывертывания для обеспечения поверхностного пластического деформирования или шлифования заготовки, а подшипники скольжения установлены с возможностью контакта их торцов со свернутой в кольцо винтовой пружиной и расположены из условия обеспечения расстояния между их торцами, равного длине большой оси эллипсовидного витка, кроме того, оно снабжено втулкой и оправкой с канавкой на ее наружной поверхности для осуществления вывертывания свернутой в кольцо винтовой пружины, упомянутая канавка выполнена шириной, равной не менее длины малой оси эллипсовидного витка, и глубиной, равной половине длины большой оси эллипсовидного витка, а втулка выполнена с возможностью установки в указанной канавке.
Особенности конструкции устройства поясняются чертежами.
На фиг.1 показано предлагаемое пружинное устройство для последовательного шлифования и поверхностного пластического деформирования, частичный продольный разрез Б-Б на фиг.2, и схема процесса обработки в режиме шлифования наружной поверхности винта винтового насоса; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение В-В кольцевой пружины на фиг.2; на фиг.4 - сечение Г-Г на фиг.2, повернуто, кольцевая пружина вывернута для работы в режиме шлифования; на фиг.5 - сечение Г-Г на фиг.2, повернуто, кольцевая пружина вывернута для работы в режиме поверхностного пластического деформирования; на фиг.6 - схема вывертывания кольцевой пружины при переходе с режима шлифования (см. фиг.1-4) на режим поверхностного пластического деформирования, промежуточная позиция - западание кольцевой пружины в канавку; на фиг.7 - схема вывертывания кольцевой пружины при переходе с режима шлифования (см. фиг.1, 4) на режим поверхностного пластического деформирования, окончательная позиция - кольцевая пружина вывернута для работы в режиме поверхностного пластического деформирования.
Предлагаемое устройство служит для последовательной обработки шлифованием и поверхностным пластическим деформированием наружных поверхностей вращения заготовок деталей типа валов и винтов с большим шагом, например винтов винтовых насосов.
Обработку выполняют на токарных, карусельных станках с сообщением вращательного движения заготовке - V З, вращательного движения - VИ и движения продольной подачи - Sпр инструменту.
Предлагаемое пружинное устройства предназначено для последовательного шлифования и поверхностного пластического деформирования и содержит корпус 1 коробчатой формы, внутри которого расположен инструмент - пружина 2. Корпус 1 имеет сквозные отверстия в двух противоположных стенках для прохождения через них обрабатываемой заготовки 3.
Инструмент с рабочими абразивно-алмазосодержащими и деформирующими элементами, выполненными в виде эллипсовидных витков, имеющих малую а и большую b оси, объединенных в винтовую пружину 2, свернутую в кольцо.
Наружная рабочая поверхность эллипсовидных витков пружины 2 с одной стороны выполнена с абразивно-алмазным слоем 4, нанесенным на рабочую часть поверхности витков на длине дуги с центральным углом , находящимся в диапазоне 180°> >90°. С другой диаметрально противоположной стороны витков их наружная рабочая поверхность используется как деформирующая 5.
Кольцо из винтовой пружины 2 с эллипсовидными витками с абразивно-алмазными и деформирующими участками свободно установлено внутри корпуса 1 так, что отверстия в кольцевой пружине и в корпусе совмещены.
Пружина 2 выполнена из стали круглого сечения и установлена с натягом на обрабатываемой заготовке 3, охватывая ее, и с возможностью вращения на ней.
Внутренний диаметр DИ кольца пружины 2 в свободном нерабочем состоянии меньше диаметра DЗ обрабатываемой заготовки 3 на величину двойного натяга, последний обеспечивает радиальную подачу SP при шлифовании и статическую нагрузку РСТ при поверхностном пластическом деформировании, т.е. DЗ>D И.
Ввиду того, что процесс чистовой абразивно-алмазной обработки требует больших скоростей, устройство снабжено индивидуальным электродвигателем 6, который через шестерню 7 принудительно вращает кольцевую пружину 2 со скоростью - VИ. Шестерня 7 изготовлена из упругого эластичного материала, например из резины, и в зацеплении с кольцом пружины 2, представляющим собой зубчатое колесо, у которого роль зубьев играют витки кольцевой пружины, позволяет передавать вращающий момент, достаточный для шлифования и поверхностного пластического деформирования.
Предлагаемое пружинное устройство работает как в режиме шлифования, так и в режиме поверхностного пластического деформирования. Работа в режиме шлифования (см. фиг.1-4) осуществляется тогда, когда абразивно-алмазный слой 4 на витках пружины находится на внутренней стороне кольца пружины 2, а работа в режиме поверхностного пластического деформирования осуществляется тогда, когда деформирующие элементы 5 витков находятся на внутренней стороне кольца пружины 2.
Поэтому при переходе с режима шлифования на режим поверхностного пластического деформирования и обратно кольцевая пружина 2 выворачивается.
Возможность вывертывания пружины 2 обеспечивается свободным расположением ее как на заготовке 3, так и в корпусе 1, при этом в корпусе пружина 2 установлена против отверстий в боковых стенках, в которых смонтированы свободно вращающиеся подшипники скольжения 8, своими торцами, расстояние между которыми равно длине b большой оси эллипсовидного витка, контактирующие с пружиной 2.
Подшипники 8 расположены во втулках 9, которые запрессованы в отверстиях боковых стенок корпуса 1.
Для вывертывания кольцевой пружины 2 устройство содержит технологические втулку 10 и оправку 11. Технологическая оправка 11 имеет профиль и наружный диаметр, идентичный и равный наружному диаметру обрабатываемой заготовки. Технологическая оправка 11 является продолжением обрабатываемой заготовки 3. Торец оправки 11, контактирующий с заготовкой, может быть выполнен, например, в виде прямого центра 12, обратного центра (не показан) или др. конструкции. С этого торца на наружной поверхности оправки 11 выполнена канавка 13 шириной не менее а - длины малой оси эллипсовидного витка и глубиной b/2 - в половину длины большой оси эллипсовидного витка (фиг.6).
Технологическая втулка 10 предназначена для установки в канавке 13, полностью заполняя ее, имеет профиль и наружный диаметр, идентичный и равный наружному диаметру обрабатываемой заготовки, являясь продолжением последней.
Вывертывание кольца пружины 2 при переходе с режима шлифования на режим поверхностного пластического деформирования и обратно производится следующим образом.
Корпус 1 с пружиной 2, находящейся на обрабатываемой заготовке 3 в положении, например, шлифования, т.е. абразивно-алмазными элементами, расположенными внутри кольца, в контакте с заготовкой (см. фиг.1), доводят в продольном направлении до канавки 13 технологической оправки 11, при этом канавка 13 свободна. Так как кольцевая пружина 2 установлена на заготовке с натягом, то под действием упругих сил витки наклоняются и заполняют канавку 13 (см. фиг.6). При дальнейшем продольном продвижении устройства слева направо согласно фиг.6 витки пружины упираются в правый торец канавки 13 и, подталкиваемые торцом левого подшипника 8, переворачиваются относительно центральной оси пружины (см. фиг.7). Кольцевая пружина 2 оказывается на технологической оправке 11 деформирующими элементами внутрь кольца, контактируя с наружной поверхностью оправки. Кольцевая пружина 2 готова к выполнению обработки заготовки обкатыванием. Перед тем как устройство переместить в продольном направлении на заготовку, в канавку 13 вставляется быстросъемная технологическая втулка 10. Имея профиль и наружный диаметр, идентичный и равный наружному диаметру обрабатываемой заготовки, технологическая втулка 10 способствует беспрепятственному продвижению кольцевой пружины справа налево в продольном направлении для поверхностного пластического деформирования заготовки.
Предлагаемое устройство крепится, например, на суппорте токарного станка (не показан), обрабатываемая заготовка, например винт 3, закрепляется в патроне 14 шпинделя 15 передней бабки 16 и поджимается центром 12 технологической оправки 11, которая установлена, например, в задней бабке 17.
Осевое перемещение принудительно вращающейся пружины 2 передается от корпуса 1 устройства через свободно вращающиеся подшипники скольжения 8, выполненные в виде маслонесущих бронзовых втулок, которые своими торцами контактируют с витками пружины 2.
После того, как заготовка 3 закреплена в патроне 14, устройство подводят к свободному концу заготовки и с помощью ручной продольной подачи суппорта заготовку вводят в центральное отверстие корпуса 1 и в отверстие кольцевой пружины 2, преодолевая сопротивление последней, а затем заготовку поджимают задним центром технологической оправки 12. Если операцию чистовой обработки предлагаемым устройством хотят начать с шлифования, то кольцевую пружину 2 вводят в обработку в положении, когда абразивно-алмазные элементы находятся внутри кольца, т.е. в режиме шлифования. Перед вводом в контакт инструмента с заготовкой включают движение вращения заготовки V З, вращательное движение пружины VAA и продольную подачу Sпр устройства.
Упругие абразивно-алмазосодержащие элементы пружины 2 своими рабочими поверхностями вступают в контакт с обрабатываемой заготовкой и осуществляют шлифование.
Обладая упругостью, абразивно-алмазосодержащие элементы пружины 2 обеспечивают более эластичный прижим к обрабатываемой сложнофасонной поверхности, благодаря чему достигается более равномерное срезание слоя со сложнофасонной поверхности обработки, что весьма важно при снятии тонких слоев.
Наличие упругого элемента, которым является абразивно-алмазосодержащая пружина 2, обеспечивает постоянное усилие шлифования в любой точке обрабатываемой сложнофасонной поверхности.
Контакт абразивно-алмазосодержащего инструмента с обрабатываемой поверхностью при шлифовании осуществляется большим количеством отдельных абразивно-алмазных площадок, например, торообразной формы. Через свободное пространство между этими площадками легко удаляется шлифованная пыль, шлам, что почти исключает засаливаемость рабочей поверхности инструмента и увеличивает его стойкость.
По окончании шлифования устройство подводят к канавке в технологической оправке и вывертывают кольцевую пружину абразивно-алмазными элементами наружу, а деформирующими элементами внутрь кольца, наезжая при этом пружиной на технологическую оправку (см. фиг.7).
Затем отводят центр технологической оправки от заготовки, устанавливают технологическую втулку 10, заполняя канавку, и производят обработку деформированием. При поверхностном пластическом деформировании включают движение вращения заготовки VЗ и продольную подачу S пр устройства. Вращательное движение пружины V И можно не включать, т.к. существенного влияния на процесс поверхностного пластического деформирования величина скорости инструмента не оказывает.
Упругие деформирующие элементы пружины 2 своими рабочими поверхностями вступают в контакт с обрабатываемой заготовкой и под действием РСТ осуществляют поверхностное пластическое деформирование микронеровностей, сглаживая их, поверхностного слоя и упрочняют его.
Обладая упругостью, деформирующие элементы пружины 2 обеспечивают более эластичный прижим к обрабатываемой сложнофасонной поверхности, благодаря чему достигается более равномерная обработка сложнофасонных поверхностей.
Наличие упругого элемента, которым является пружина 2, обеспечивает постоянное усилие поверхностного пластического деформирования в любой точке обрабатываемой сложнофасонной поверхности.
Контакт деформирующего инструмента с обрабатываемой поверхностью при поверхностном пластическом деформировании осуществляется большим количеством отдельных деформирующих площадок, например, торообразной формы.
Упругие элементы инструмента - витки пружины, изготовляют из сталей: легированных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А. Твердость рабочей поверхности витков из сталей HRC 62...65. Рабочая поверхность деформирующих элементов 5 витков пружины 2 полируется до Ra=0,08...0,16 мкм.
Производительность процесса абразивно-алмазной и упрочняющей обработки предлагаемым устройством определяется диаметром витка пружин и диаметром проволоки, из которой изготовлены пружины. При обработке заготовок-винтов диаметр витка пружин диктуется размерами впадины винтовой поверхности, а именно диаметр витка пружин должен быть таким, чтобы он контактировал со всеми точками днища впадины в продольном сечении винта (см. фиг.1).
Устройство с большими диаметром витка пружины и диаметром проволоки позволяет вести обработку с большой продольной подачей S пр как при шлифовании, так и при поверхностном пластическом деформировании. Однако в этом случае при поверхностном пластическом деформировании необходимо создавать большие рабочие усилия Р ст, что снижает качество поверхности. От значения допустимого рабочего усилия Рст зависят параметры пружины. Наиболее целесообразно шлифованием и поверхностным пластическим деформированием обрабатывать исходные поверхности 7...11-го квалитетов.
Шлифованием и поверхностным пластическим деформированием предлагаемым устройством практически достигаются параметры шероховатости Ra=0,2...0,8 мкм при исходных значениях этих параметров 0,8...6,3 мкм. Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от материала, рабочего усилия или натяга, подачи, исходной шероховатости, конструкции устройства и т.д.
Поверхностное пластическое деформирование после шлифования предлагаемым устройством следует проводить так, чтобы заданные результаты достигались за один проход. Не следует использовать обратный ход в качестве рабочего хода, так как повторные проходы в противоположных направлениях могут привести к излишнему деформированию и отслаиванию поверхностного слоя.
Скорость движения заготовки Vз не оказывает заметного влияния на результаты обработки поверхностным пластическим деформированием, но влияет на процесс шлифования и выбирается с учетом требований производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость Vз составляет 30...150 м/мин. Значение усилия поверхностного пластического деформирования выбирают в зависимости от цели обработки. Оптимальное усилие Рст (Н), соответствующее максимальному пределу выносливости, определяют по формуле: Р ст=500+1,66D2, где D - диаметр обкатываемой поверхности заготовки, мм.
Предлагаемое устройство с многоэлементным абразивно-алмазным и деформирующим пружинным инструментом для последовательного шлифования и деформирования обеспечивает постоянное усилие контакта абразивно-алмазных и деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью и почти не уменьшает погрешности, предшествующей обработки, являясь копирующим.
Смазывающе-охлаждающей жидкостью при шлифовании и деформировании предлагаемым устройством служит сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.
Пример. Обрабатывался винт левый Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500 (см. фиг.1), который имел следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина винтовой части - 1208 мм, диаметр поперечного сечения винта - 27-0,05 мм, эксцентриситеты - 1,65 мм, 3,3 мм, шаг - 28±0,01 мм, шероховатость Ra=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса - 5,8 кг. Припуск на сторону - 0,2 мм. Обработка проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с помощью пружинного устройства с инструментом в виде пружины с абразивно-алмазными и деформирующими элементами. Пружина была выполнена в виде кольца с алмазным слоем на поверхности эллипсовидных витков, имеющих малую ось а - 18 мм и большую ось b - 25 мм, длина дуги алмазного слоя имела центральный угол =135°, диаметр проволоки витков - 5 мм, толщина алмазоносного слоя 1,0 мм, содержание алмазов при 100%-ной концентрации - 56 карат, на каучукосодержащей связке (аналог - алмазная бесконечная бесшовная лента АЛШБ, используемая на базовом предприятии). Рабочая поверхность деформирующих элементов пружины полировалась до Ra=0,08...0,16 мкм.
Устройство закреплялось на суппорте станка. Смазочно-охлаждающая жидкость - сульфофрезол. Окружная скорость заготовки - V з=21 м/мин (0,35 м/с), nз=250 об/мин, скорость абразивно-алмазной обработки - VAA =5 м/с, nАА=1600 об/мин при встречном направлении движений вращения заготовки и пружины, продольная подача S пр=0,25 мм/об, требуемая шероховатость и точность винтовой поверхности была достигнута через Тм=11,5 мин (против Тм баз =106,5 мин по базовому варианту при традиционном шлифовании с помощью шлифовальной головки с последующим полированием алмазной лентой на токарном станке 1К62 и обкатыванием традиционным шариковым обкатником на АО "Ливгидромаш"). В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повысился до Ra=0,4 мкм при исходном значении Ra=3,2 мкм. Твердость поверхности увеличилась на 30...80% при глубине наклепанного слоя 0,3...3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигли на поверхности 400...800 МПа.
Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68. Накопленная погрешность между любыми не соседними шагами была не более 0,1 мм, просвет при контроле лекальной линейкой образующих по диаметру выступов - не более 0,07 мм, что допустимо по ТУ.
Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности процессов абразивно-алмазной обработки и поверхностной пластической деформации, повышает параметр шероховатости обработанной поверхности, увеличивает ее твердость на значительную глубину, повышает производительность за счет увеличения пятна контакта большого количества абразивно-алмазных и деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, а также снижает себестоимость процесса и сокращает расходы на изготовление оснастки.
Источники информации
1. Патент Германии №665083, кл. 67 с.1, 1940.
2. А.с. СССР №852528, М. Кл3 В24D 7/06. Абразивно-алмазный инструмент. Федосеев Л.А. 2420368/25-08, 09.11.76; 07.08.81. Бюл. №29 - прототип.
Класс B24B39/04 для обработки наружных поверхностей вращения