СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ ДОРНОВАНИЕМ /ВАРИАНТЫ/ Российский патент 1996 года по МПК B24B39/02 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам для обработки отверстий и может быть использовано для обработки длинномерных деталей.

Известен способ дорнования отверстий, заключающийся в протягивании инструмента при приложении к нему внешней силы через обрабатываемое отверстие, имеющее несколько меньшие размеры по сравнению с размерами самого инструмента, при этом диаметр отверстия увеличивается за счет пластических деформаций, а чистота по поверхности повышается Проскуряков Ю. Г. и др. Объемное дорнование отверстий М. Машиностроение, 1984, с. 9 аналог.

Недостаток этого заключается в том, что он энергоемок и требует для создания тягового усилия громоздкого оборудования типа протяжных станков, затруднена обмотка длинных отверстий.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ обработки отверстий дорнованием, при котором на обрабатываемую поверхность воздействуют осевым и радиальным усилием посредством самоходного инструмента, имеющего по меньшей мере, три деформирующих элемента и перемещающегося со скоростью, прямо пропорциональной амплитуде воздействия на деталь в осевом направлении и частоте воздействия (а.с. СССР 122743, кл. B 24 B 39/02, опубл. 30.04.86) -прототип.

Недостатком данного способа является то, что не рассматривается вопрос о диапазоне изменения амплитуд воздействия на деталь в осевом направлении каждого деформирующего элемента, а также частот воздействия на деталь, т. е. параметров, непосредственно влияющих на скорость самостоятельного движения инструмента, их взаимосвязь от других параметров самоходного инструмента. Поэтому возникает вопрос о выборе необходимом частот амплитуд воздействия на деталь. При выполнении обработки нерациональный выбор указанных параметров ведет к невозможности оптимального управления процессом, излишним затратам энергии, pасходуемой на непроизводительный нагрев секций инструмента, ведущий к перегрузке системы охлаждения, т. к. к повышению энергоемкости процесса обработки.

Целью изобретения является снижение энергоемкости процесса обработки путем оптимизации управления процессом.

Указанная цель достигается тем, что:
1. В способе обработки отверстий дорнованием, при котором на обрабатываемую поверхность воздействуют осевым и радиальным усилием посредством самоходного инструмента, имеющего по меньшей мере три деформирующих элемента и перемещающегося со скоростью, прямо пропорциональной амплитуде воздействия на деталь в осевом направлении и частоте воздействия, частоту воздействия на обрабатываемую поверхность принимают постоянной, а диапазон изменения амплитуд воздействия на деталь в осевом направлении определяют из выражения:

где ξ_ос амплитуда воздействия на деталь в осевом направлении, мкм:
W_min и W_max соответственно min и max допустимая энергия, подводимая к инструменту, Дж;
n целое положительное число, которому кратно количество деформирующих элементов;
f частота воздействия на деталь, Гц;
η КПД инструмента;
m масса инструмента, кг.

2. В способе обработки отверстий дорнованием, при котором на обрабатываемую поверхность воздействуют осевым и радиальным и усилием посредством самоходного инструмента, имеющего по меньшей мере три деформирующих элемента, и перемещающегося со скоростью пропорциональной амплитуде воздействия на деталь в осевом направлении и частоте воздействия, амплитуду воздействия на деталь в осевом направлении принимают постоянной, а диапазон изменения частот воздействия на деталь определяют из выражения:

где f частота воздействия на деталь, Гц;
W_min и W_max соответственно min и max допустимая энергия, проводимая к инструменту, Дж;
n целое положительное число, которому кратно количество деформирующих элементов;
f амплитуда воздействия на деталь в осевом направлении мкм;
m масса инструмента, кг;
η КПД инструмента.

Выявление взаимосвязи двух параметров (амплитуды воздействия на деталь в осевом направлении и частоты) непосредственно влияющих на скорость самодвижения инструмента при выполнении процесса обработки и их зависимости от других параметров самоходного инструмента и выполняемой обработки, ограничение диапазона изменения амплитуд воздействия на деталь в осевом направлении при постоянной частоте согласно выражению (1) по первому варианту; или ограничение диапазона изменения частот воздействия на деталь при постоянной амплитуде согласно выражению (2) по второму варианту позволяет по сравнению с прототипом снизить энергоемкость процесса обработки выполняемой по заявляемому способу, т. к. очерчивает тот оптимальный интервал, в котором должны находиться изменяемые в принципе параметры (амплитуда и частота) при управлении процессом для обеспечения выполнения обработки при минимальном потреблении электроэнергии. Это происходит следующим образом:
Скорость V движения самоходного инструмента при реализации способа, определяется из выражения:

где ξ_ос амплитуда воздействия на деталь в осевом направлении каждого деформирующего элемента самоходного инструмента как величина, на которую перемещается каждый деформирующий элемент и инструмент в целом за период Т, равный циклу его работы мкм;
f частота воздействия, определяемая частотой импульсов, подаваемых на секции самоходного инструмента, Гц;
n≥ 3 целое положительное число, которому кратно количество деформирующих элементов;
т. к. воздействие на деталь в осевом направлении и осевое перемещение деформирующий элемент осуществляют лишь в течении 1/n части Т периода Кинетическая энергия (W_к) движения самоходного инструмента определяется из выражения:

где m масса самоходного инструмента.

Поставляя в формулу (4) значение скорости V из формулы (3) получаем:
η
Энергия (W), подводимая к самоходному инструменту, превращается в кинетическую энергию его движения (W_к), с учетом коэффициента полезного действия КПД самоходного инструмента, т. е. W • h=W_к, откуда

т. е. выявлены взаимосвязи параметров самоходного инструмента.

Для определения диапазонов изменения амплитуд воздействия на деталь в осевом направлении или частот воздействия для каждого типоразмера самоходного инструмента необходимо проведение контрольных экспериментов, в которых при проведении обработки замеряют скорость самодвижения инструмента при изменении (путем изменения амплитуды или частоты) и фиксировании подводимой к нему энергии с целью определения минимальной допустимой энергии W _min ниже которой самодвижение инструмента (обработка) прекращаются, и максимальной допустимой энергии W_max, с превышением которой прекращается увеличение скорости самодвижения инструмента из-за насыщения преобразователей продольных колебаний. При подводимой к инструменту энергии меньше минимальной W_min инструмент остановится, обработки не будет и эта энергия израсходуется напрасно. При подводимой к инструменту энергии больше максимальной W_max этот избыток также израсходуется напрасно, т. е. на нагрев преобразователей и секций самоходного инструмента, не вызвав увеличения скорости обработки. Поэтому с учетом выражения (6) необходимо записать:
ξ_ос
Далее, по первому варианту, принимаем постоянной частоту (f) воздействия на деталь и решая неравенство (7) относительно переменной амплитуды получаем заявляемое выражение оптимального диапазона изменения амплитуд воздействия на деталь в осевом направлении:
ξ_ос
и в случае смещения значений амплитуд за границы этого диапазона потери электроэнергии будут неизбежны.

По второму варианту принимаем постоянной амплитуду () ξ_ос воздействия на деталь в осевом направлении, и решая неравенство (7) относительно переменной частоты (f), получаем заявляемое выражение оптимального диапазона изменения частот воздействия на деталь:
ξ_ос
и в случае смещения значений частоты за границы этого диапазона потери электроэнергии также будут неизбежны.

Таким образом, заявляемые выражения (1) и (2) получены опытно-расчетным путем, и обеспечивают при их выполнении оптимальное управление процессом обработки и тем самым снижение его энергоемкости.

Изобретение поясняется схемами, где на фиг.1 дан продольный разрез самоходного инструмента (вибродорна) на фиг.2 дано графическое изображение продолжительности, последовательности и величины импульсов, вызывающих соответствующие воздействия на деталь, а также их распределение по секциям, на фиг. 3 графическое изображение импульсов, подаваемых на одну секцию.

Описываемый способ реализуется с помощью инструмента, включающего трубное основание 1 с набранными на него секциями, каждая из которых состоит из кольцевого магнитострикционного преобразователя радиальных колебаний 2 с закрепленными на нем деформирующим элементом 3, параллельных магнитострикционных преобразователей осевых колебаний 4, для удобства сборки заключенных в сепаратор 5, и крепежных колец 6, а также пружинные элементы (например, тарельчатые пружины) 7 отделяющие секции друг от друга и присоединенные одной стороной к магнитострикционным преобразователям осевых колебаний 4, шайбу 8 и гайку 9, навинченные на резьбу трубного основания 1 и служащие для предварительного сжатия секций.

Способ реализуется следующим образом:
От внешнего источника импульсов генератора через центральное отверстие трубного основания 1 напряжение с определенной частотой импульсов (f) подают на секции. Подача периодических импульсов осуществляется последовательно с различной продолжительностью, начиная с первой секции расположенной со стороны заготовки, в которой необходимо обработать отверстие.

Период (Т), равный циклу работы инструмента, разбит на три равные части.

В первой трети периода импульсы (J_ос) продолжительность 1/3 периода подаются на обмотки магнитострикционных преобразователей осевых колебаний 4 секции 1, которые удлиняясь перемещают остальные элементы этой секции, преодолевая силу упругости пружинных элементов 7, с амплитудой ξ_ос воздействия на деталь в осевом направлении и отталкиваясь от зафиксированных от возвратных перемещений соседних секций II и III, на магнитострикционные преобразователи радиальных колебаний 2 которых в это время подаются импульсы (J_рад) продолжительностью 1/3 периода, что вынуждает деформирующие элементы 3 этих секций увеличивать свой диаметр, и тем самым фиксировать секции II и III от возвратных перемещений. При этом на остальных обмотках импульсов нет.

Во второй трети периода перемещается секция 11, с амплитудой ξ_ос воздействуя на деталь в осевом направлении за счет подачи импульсов (J_ос) продолжительностью 1/3 периода на обмотки ее магнитострикционных преобразователей осевых колебаний 4, имеющая в этот момент времени минимальный диаметр т. к. на обмотки ее магнитострикционного преобразователя радиальных колебаний 2 импульс не подается, а секции I и III увеличивают свой диаметр при подаче соответствующих импульсов (J_рад) продолжительностью 1/3 периода на обмотки их магнитострикционных преобразователей радиальных колебаний 2 и тем самым фиксируются от возвратных перемещений.

В третьей трети периода перемещаются имеющая в этот момент времени минимальный диаметр секции III за счет подачи импульсов (J_ос) продолжительностью 1/3 периода на преобразователи ее осевых колебаний 4, с амплитудой ξ_ос воздействия на деталь в осевом направлении, а фиксируется от возвратных перемещений секции I и II за счет подачи соответствующих импульсов (J_рад) продолжительностью 1/3 периода на преобразователи их радиальных колебаний 2. Последующие три секции работают параллельно и аналогично трем первым, период подачи определенных импульсов и цикл работы инструмента во взаимодействии секций между собой и стенками обрабатываемого отверстия повторяется так, что при последовательном перемещении каждой секции обеспечивается результирующее перемещение самоходного инструмента и тем самым обработка детали.

При этом, по первому варианту способу, принимают постоянной частоту (f) воздействия на деталь, в контрольном эксперименте согласно описанному выше при изменяющейся амплитуде, определяют минимальную (W_min) и максимальную (W_max допустимые энергии для каждого типоразмера самоходного инструмента и дальнейшую обработку этим инструментом осуществляют при регулировке изменения амплитуд воздействия на деталь в осевом направлении, определяя диапазон их изменения согласно заявляемому выражению:

и обеспечивая оптимальное управление процессом.

По второму варианту способа принимают постоянной амплитуду воздействия на деталь в осевом направлении, в контрольном эксперименте согласно описанному выше при изменяющейся частоте определяют минимальную (W_min) и максимальную (W_max) допустимые энергии для каждого типоразмера самоходного инструмента и дальнейшую обработку этим инструментом осуществляют при регулировке изменения частот (f) воздействия на деталь, определяя диапазон их изменения согласно заявляемому выражению: и стенками обрабатываемого отверстия повторяется так, что при последовательном перемещении каждой секции происходит результирующее перемещение самоходного инструмента и тем самым обработка детали.

При этом, по мере первому варианту способа, принимают постоянной частоту воздействия на деталь, на пример, f 18•10³ Гц. В предварительно проведенном контрольном эксперименте с постоянной частотой f 10•10³ Гц и изменяемой амплитудой воздействия на деталь в осевом направлении при фиксировании подводимой энергии замеряют скорость самодвижения инструмента и определяют минимальную допустимую энергию W_min=160 Дж, ниже которой самодвижение инструмента (и обработка) прекратятся, а также максимально допустимую энергию W_max=470 Дж, с превышением которой прекращается увеличение скорости самодвижения инструмента, диаметром, например, 100 мм, массой m 68 кг и имеющего КПД η=0,007. Определяют диапазон изменения амплитуд воздействия на деталь в осевом направлении согласно заявляемого выражения:

подставляя числовые значения:

получаем: 0,015•10^-3 (μ) ≅ ξ_ос ≅ 0,026•10^-3 (м). или 15(мкм) ≅ ξ_ос ≅ 26 (мкм) и осуществляют обработку деталей этим инструментом при регулировке изменения амплитуд в соответствии с полученным диапазоном обеспечивая оптимальное управление процессом. А случае смещения значений амплитуды за границы этого диапазона потери электроэнергии будут неизбежны. Например, при ξ_ос=7 мкм инструмент двигаться не будет, энергия расходуется напрасно, или ξ_ос=30 мкм обработка осуществляется, но часть энергии расходуется напрасно, т. к. преобразователи достигли насыщения роста скорости нет.

По второму варианту в способа принимают постоянной амплитуду воздействия на деталь в осевом направлении, например, ξ_ос=10 мкм 10•10^-6 м. В предварительно проведенном контрольном эксперименте с постоянной амплитудой воздействия на деталь в осевом направлении ξ_ос=10•10^-6 (м) и изменяемой частотой при изменяемой за счет этого и фиксируемой подводимой энергией замеряют скорость самодвижения инструмента и определяют минимальную допустимую энергию W_min= 51 Дж, ниже которой самодвижение инструмента (и обработка) прекратятся, а также максимально допустимую энергию W_max=142 Дж, с превышением которой прекращается увеличение скорости самодвижения инструмента диаметром, например, 100 мм, массой m=68 кг и имеющего КПД η=0,007. Определяют диапазон изменения частот воздействия на деталь согласно заявляемого выражения:

и подставляя числовые значения:
получаем 15,3 10³ (Гц)≅25,2 10³ (Гц);
и осуществляют обработку деталей этим инструментом при регулировке изменения частот в соответствии с полученным диапазоном, обеспечивая оптимальное управление процессом. В случае смещения значения частоты за границы этого диапазона потери электроэнергии будут неизбежны. Например, при f 12•10³ Гц энергии недостаточно, инструмент двигаться не будет и энергия будет израсходована напрасно, или при f 28•10³ Гц -обработка осуществляется, но часть энергии расходуется напрасно, преобразователи достигли насыщения и роста скорости нет.

Выполнение обработки отверстий при помощи самоходного инструмента по заявленному способу, сохраняя все достоинства прототипа в части обеспечивая прямолинейности обрабатываемого отверстия при минимальных габаритах оборудования, надежности устройства и его работы, а также производительности позволяет по сравнению с базовым объектом прототипом за счет оптимизации управления процессом при выявлении взаимосвязи и взаимовлияния параметров самоходного инструмента, очерчивании оптимальных диапазонов их изменения, снизить энергоемкость процесса обработки на 25-75% ЫЫЫ2

Использование: обработка металлов давлением, в частности, обработка поверхности отверстий. Сущность изобретения: на деталь воздействуют осевым и радиальным усилием с помощью самоходного инструмента по меньшей мере с тремя деформирующими элементами с несимметричной кромкой. Воздействие на деталь в осевом и радиальном направлении осуществляют каждым из деформирующих элементов поочередно, при этом направление усилия изменяют последовательно таким образом, чтобы в любой момент времени элементы, воздействующие на деталь в осевом направлении, базировались на элементы, воздействующие на деталь в радиальном направлении. По первому варианту частоту воздействия на деталь принимаем постоянной, а диапазон изменения амплитуд воздействия на деталь в осевом направлении определяют из выражения: . По второму варианту амплитуду воздействия на деталь в осевом направлении принимают постоянной, а диапазон изменения частот воздействия определяют из выражения: где, f - частота воздействия на деталь; W_min, W_max - соответственно min и max допустимая энергия, подводимая к инструменту; n≥3 - целое положительное число, которому кратно количество деформирующих элементов; ξ_ос - амплитуда воздействия на деталь в осевом направлении; η - КПД инструмента; m - масса инструмента. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Способ обработки отверстий дернованием, при котором на обрабатываемую поверхность воздействуют осевым и радиальным усилием посредством самоходного инструмента, имеющего, по меньшей мере, три деформирующих элемента и перемещающегося со скоростью, прямо пропорциональной амплитуде воздействия на деталь в осевом направлении и частоте воздействия, отличающийся тем, что частоту воздействия на обрабатываемую поверхность принимают постоянной, а диапазон изменения амплитуд воздействия на деталь в осевом направлении определяют из выражения

где ξ_oc амплитуда воздействия на деталь в осевом направлении, мм;
W_m i n и W_m a x соответственно минимальная и максимальная допустимая энергия, подводимая к инструменту, Дж;
n ≥ 3 целое положительное число, которому кратно количество деформирующих элементов;
f частота воздействия на деталь, Гц;
η КПД инструмента;
m масса инструмента, кг.

2. Способ обработки дорнованием, при котором на обрабатываемую поверхность воздействуют осевым и радиальным усилием посредством самоходного инструмента, имеющего, по меньшей мере, три деформирующих элемента и перемещающегося со скоростью, прямо пропорциональной амплитуде воздействия на деталь в осевом направлении и частоте воздействия, отличающийся тем, что амплитуду воздействия на деталь в осевом направлении принимают постоянной, а диапазон измерения частот воздействия на деталь определяют из выражения

где f частота воздействия на деталь, Гц;
W_m i n и W_m a x соответственно минимальная и максимальная допустимая энергия, подводимая к инструменту, Дж;
n ≥ 3 целое положительное число, которое кратно количеству деформирующих элементов;
ξ_oc амплитуда воздействия на деталь в осевом направлении, мкм;
η КПД инструмента;
m масса инструмента, кг.