способ алмазно-абразивной обработки с планетарным осциллирующим движением

Формула изобретения

Способ алмазно-абразивной обработки отверстий инструментом с радиально подвижными алмазно-абразивными брусками, включающий сообщение вращения и относительного осевого продольного перемещения инструменту, содержащему корпус с продольными пазами, в которых расположены брускодержатели, несущие расположенные снаружи алмазно-абразивные бруски, которые удерживают от выпадения винтовыми цилиндрическими пружинами растяжения, свернутыми в кольца и установленными в пазах около каждого торца брускодержателей, отличающийся тем, что инструменту сообщают дополнительное планетарное вращение относительно дополнительной оси, эксцентрично смещенной относительно основной продольной оси, причем корпус снабжают минимум двумя на каждый брускодержатель распорными штангами, которые устанавливают 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 упираются в сферические днища отверстий брускодержателей, а на другой торец штанг воздействуют винтовой цилиндрической пружиной сжатия, развивающей силу, плавно изменяющуюся при вращении инструмента на начальной стадии обработки и постоянную - на завершающей стадии, причем каждому бруску сообщают осциллирующие движения в продольном направлении с частотой, равной частоте планетарного вращения, и амплитудой А_О, определяемой по формуле:

А_О=2e-tg(90°- ), мм,

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

- угол наклона штанг к плоскости, перпендикулярной продольной оси, град.

Описание изобретения к патенту

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

Известны способ и реализующее его 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 утлом /2 с возможностью плавного регулирования угла наклона от нуля до , тягами, выполненными в виде пластинчатых пружин, втулкой с наружным диаметром D, при этом упорный подшипник выполнен двойным, установлен под углом 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_r, определяемой из соотношения A_r=Dcos [1].

Недостатками известного способа и устройства являются малые амплитуды вибрационных перемещений и невозможность регулирования частоты вибраций, которые прямо пропорционально влияют на производительность и качество обработки, при этом способ не отличается высокой производительностью и качеством обработки.

Известны способ и 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].

Недостатками известного способа и устройства являются высокая себестоимость изготовления заготовок из-за дороговизны и сложности конструкции применяемой оснастки, требующей специального гидравлического генератора импульсов, при этом способ 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 предлагаемым способом алмазно-абразивной обработки отверстий инструментом с радиально подвижными алмазно-абразивными брусками, согласно которому инструменту, содержащему корпус с продольными пазами с брускодержателями, несущими расположенные снаружи алмазно-абразивные бруски, удерживаемые от выпадения винтовыми цилиндрическими пружинами растяжения, свернутые в кольца и установленные в пазах около каждого торца брускодержателей, сообщают вращение и относительное осевое продольное перемещение, при этом инструменту сообщают дополнительное планетарное вращение относительно дополнительной оси, эксцентрично смещенной относительно основной продольной оси, а корпус снабжен минимум по две на каждый брускодержатель распорными штангами, установленными по скользящей посадке в радиальных, расположенных под острым утлом 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, причем на другой торец штанг воздействует винтовая цилиндрическая пружина сжатия, развивающая силу, плавно изменяющуюся при вращении инструмента на начальной стадии обработки и постоянную на завершающей стадии, кроме того, каждый брусок совершает осциллирующие движения в продольном направлении с частотой, равной частоте планетарного вращения и амплитудой A_O, определяемой по формуле:

A_O=2e·tg(90°- ) мм,

где: e - эксцентриситет смещения оси планетарного вращения относительно продольной оси корпуса инструмента, мм;

- угол наклона штанг к плоскости, перпендикулярной продольной оси, град.

Сущность предлагаемого способа и инструмента, реализующего его, поясняется чертежами.

На фиг.1 показана схема алмазно-абразивной обработки предлагаемым способом с планетарным осциллирующим движением инструмента, 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 движении алмазно-абразивных брусков; на фиг.8 - к расчету величины амплитуды осциллирующего движения.

Предлагаемый способ, реализуемый с помощью инструмента 1, предназначен для чистовой отделочной обработки отверстий алмазно-абразивными брусками, совершающими осевые вибрационные возвратно-поступательные перемещения за счет введения дополнительного планетарного движения и эксцентричного смещения, позволяющих регулирование и установление оптимальной частоты, зависящей от частоты вращения устройства.

Инструмент 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 инструмента 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 инструмента 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 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 способа является то, что инструменту сообщают дополнительное планетарное вращение V_ПЛ относительно дополнительной оси, эксцентрично смещенной на величину эксцентриситета «е» относительно основной продольной оси.

Работа по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

В глухих радиальных отверстиях корпуса инструмента 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.

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

Заготовка, как правило, неподвижна, а инструменту сообщают возвратно-вращательное движение V_и, возвратно-поступательную продольную подачу S_ПР и планетарное вращение V_ПЛ с эксцентриситетом «е».

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

Как только инструмент введен в отверстие вращающейся заготовки, оператор освобождает бруски, которые под действием пружин 10 входят в контакт с обрабатываемой поверхностью. При приближении продольной оси инструмента 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 наклона штанг к плоскости, перпендикулярной продольной оси.

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

A_O=2e·tg(90°- ) мм,

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

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

Треугольник KRM построен на основе совмещения положений, показанных на фиг.3 и 5,

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

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

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

NL - минимальное расстояние от оси МК вращения инструмента 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 инструмента, интенсивно воздействуя на обрабатываемую поверхность.

Как видно на развертке обрабатываемого отверстия, показанной на фиг.7, где изображены траектории осциллирующих движений алмазно-абразивных брусков, сочетание вращательного движения с возвратно-поступательным движением брусков инструмента 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 инструмента к бруску - расстояние LN (фиг.5); P_MIN - при удалении оси инструмента 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 инструмента.

Таким образом, происходит алмазно-абразивная обработка с переменной силой нагружения 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=0 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 предлагаемым способом отверстия гильзы цилиндра 130-1002021 на вертикально-хонинговальном станке мод. 3М83С, оснащенным разработанной конструкцией инструмента 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 (в %): 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; _в 206 Н/мм²; _из=432 Н/мм². Диаметр обрабатываемого отверстия 100,56 100,50 мм; шероховатость - R_a=0,32 мкм.

После сборки инструмента 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 переменного воздействия при обработке элементарной площадки обрабатываемой поверхности в диапазоне 6 10. Дальнейшее увеличение кратности осциллирующего воздействия не значительно влияет на эффективность обработки. Величина силы статического поджатия брусков к обрабатываемой поверхности составляла Р_MIN 25 40 Н; P_MAX=55 85 Н. Величина хода штанг составляла - 7 13 мм. Предлагаемый способ позволил 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%.

Переменная нагрузка в сочетании с вращательным и возвратно-поступательным движениями инструмента 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 с переменной силой нагружения 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.

Предлагаемый способ обеспечивает низкую себестоимость изготовления заготовок благодаря простоте конструкции применяемого инструмента, не требующего специального источника переменной силы или генератора импульсов.

Предлагаемый способ 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.

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

Источники информации

1. Патент 2146593, МКИ ⁷ B 24 B 33/00, 33/02 // B 24 B 1/00. 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 B 24 B 33/00, B 24 B 33/08. Устройство для алмазно-абразивной обработки со статико-импульсным нагружением. Заявка № 2005124502/02; 01.08.2005; 10.01.2007. Бюл. № 1 - прототип.