КОПИРОВАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШЛИФОВАНИЯ КУЛАЧКОВОГО ВАЛА ПРИ РЕМОНТЕ Российский патент 1997 года по МПК B23Q35/10 B24B19/12 

Изобретение относится к устройствам для обработки сложного профиля по копирам и предназначено для восстановления кулачков вала привода топливного насоса высокого давления дизеля при ремонте.

Известно устройство для обработки фасонного профиля по копиру, содержащее рабочий модуль с рабочим инструментом (фреза, шлифовальный круг и т.п. ) и установленной для обработки заготовкой и эталонный модуль, включающий эталонный профиль (копир) и взаимодействующий с ним эталонный ролик [1] Рабочий и эталонный модули устройства связаны между собой кинематически так, что в процессе функционирования механизмов привода и обработки заготовки обеспечивается получение формы изделия, одинаковой с формой копира. При этом необходимо обеспечить выполнение следующих известных условий: 1) радиус инструмента (фрезы, шлифовального круга) должен быть меньше минимального радиуса вогнутой поверхности обрабатываемой детали; 2) радиус обрабатывающего инструмента и радиус эталонного ролика должны быть равны между собой.

Недостатками устройства для обработки фасонного профиля [1] являются сложность конструкции, его высокая стоимость и большие затраты по эксплуатации, поскольку оно изготавливается в виде станка, как правило, для использования в серийном или массовом производстве и потому не может применяться на малых предприятиях единичного или мелкосерийного производства, получающих в настоящее время приоритетное развитие, особенно в сфере автотракторного сервиса. Кроме того, для использования в известном устройстве необходимо специально рассчитать и изготовить эталонный профиль (копир).

Известно также копировальное устройство для шлифования кулачкового вала распределительного топливного насоса типа НД-21 при ремонте путем копирования эталонного профиля на ремонтную заготовку (восстанавливаемый кулачковый вал), содержащее рабочий и эталонный модули [2] В состав рабочего модуля устройства входят: приспособление для установки ремонтной заготовки (кулачковый вал, подготовленный к обработке) в виде неподвижной опоры скольжения и съемной опоры с центром, входящим в центровое установочное отверстие обрабатываемого вала; обрабатывающий узел, включающий шлифовальный круг, плоскоременную передачу и электродвигатель с блоком управления; винтовой механизм подачи обрабатывающего узла к обрабатываемому валу. В состав эталонного модуля входят: копир, в качестве которого используется эталонный кулачковый вал в натуральную величину серийного кулачкового вала и который закрепляется постоянно на одной оси с обрабатываемым кулачковым валом с помощью двух неподвижных опор скольжения; ручной механизм вращения копира в виде воротка; эталонный ролик на оправке, жестко связанный со столом устройства.

Обрабатываемый вал и копир связаны между собой постоянно замкнутой кулачковой муфтой, передающей вращающий момент от воротка на копире к обрабатываемому валу. Опоры обрабатываемого вала и копира установлены на общей подвижной каретке, которая под действием пружин сжатия перемещается на направляющих относительно стола устройства и прижимает копир к эталонному ролику.

Недостатками устройства [2] выбранного в качестве прототипа, являются сравнительно низкая эффективность процесса обработки, быстрое "засаливание" шлифовального круга, необходимость прилагать большие усилия прижима обрабатываемой детали к рабочему инструменту, что требует более высокой жесткости и прочности узлов крепления детали и копира, а также большей массы прижимающего груза. Причина указанного состоит в отсутствии обоснованных рекомендаций по оптимальному соотношению радиуса шлифовального круга и радиуса вогнутой поверхности обрабатываемой детали.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса обработки детали при копировании эталонного профиля на ремонтную заготовку, что в соответствии с изобретением достигается оптимизацией радиуса шлифовального круга по впервые предложенному критерию, в качестве которого используется угол охвата или длина дуги части окружности (в градусах или радианах) шлифовального круга, находящаяся в контакте с телом обрабатываемой детали при врезании в него круга на некоторую глубину.

На фиг.1 представлена принципиальная схема копировального устройства для шлифования кулачкового вала при ремонте путем копирования эталонного профиля на ремонтную заготовку, на фиг.2 схема кулачкового механизма топливного насоса НД-21 в исходном положении (положении нижней мертвой точки ролика толкателя); на фиг. 3 схема взаимодействия шлифовального круга с обрабатываемой деталью (аналогично эталонного ролика с эталонным профилем-копиром) при повороте детали (копира) на угол Ф; на фиг.4 схема врезания шлифовального круга в тело обрабатываемой детали; на фиг.5 график зависимости угла охвата шлифовального круга от его радиуса при врезании в вогнутую поверхность обрабатываемого вала.

Устройство (фиг. 1) содержит стол 1, на котором смонтированы рабочий и эталонный модули. Рабочий модуль предназначен для обработки восстанавливаемого вала и состоит из электродвигателя 2, передаточного механизма 3 в виде плоскоременной передачи, шлифовального круга 4, опоры 5 которого прикреплены к платформе 6, имеющей возможность поступательного перемещения по столу 1 с помощью направляющих 7 и винтового механизма 8 ручной подачи.

Эталонный модуль включает эталонный профиль (копир) 9, установленный на опорах 10 скольжения с возможностью вращения от воротка 11, а также эталонный ролик 12, прикрепленный к столу 1 на оправке 13. В качестве копира 9 используют эталонный кулачковый вал в натуральную величину, однотипный (подобный, аналогичный) с обрабатываемым валом, отвечающий всем техническим требованиям чертежа. Опоры 10 смонтированы на каретке 14, перемещающейся относительно шлифовального круга 4 и эталонного ролика 9 по направляющим 15 под действием подвешенного на тросе 16 груза 17. На каретке 14 на одной оси с копиром 9 с помощью съемного центра 18 крепится на время обработки кулачковый вал 19. Он связан с копиром 9 постоянно замкнутой муфтой 20, для установки которой используются функциональные пазы в хвостовике валов, предусмотренные чертежом. Муфта 20 передает вращающий момент от воротка 11 через копир 9 на обрабатываемый вал 19.

Особенность восстанавливаемого кулачкового вала топливного насоса высокого давления распределительного типа НД-21 состоит в том, что профиль его кулачка образован двумя дуговыми линиями, одна из которых вогнутая [3] Поэтому в соответствии с требованиями [1] необходимо, чтобы радиус шлифовального круга был меньше радиуса впадины обрабатываемого кулачкового вала 19, соответственно радиус эталонного ролика 12 также должен быть меньше радиуса впадины копира 9 (фиг. 2). Необходимо выполнить и второе требование о равенстве радиусов шлифовального круга и эталонного ролика.

Работает устройство следующим образом. Подготовленный кулачковый вал 19 с помощью муфты 20 соединяют с копиром 9, после чего устанавливают на место центр 18 и закрепляют. С помощью груза 17 каретка 14 переместится по направляющим 15 и прижимает копир 9 к эталонному ролику 12. Подающим механизмом 8 подводят шлифовальный круг 4 к валу 19, включают электродвигатель 2, за вороток 11 вращают копир 9 и вместе с ним обрабатываемый вал 19. При своем повороте на угол Ф копир набегает на ролик (фиг. 3) и отодвигает каретку вместе с повернувшимся на тот же угол обрабатываемым валом в результате на нем воспроизводится та же форма кулачкового профиля, которая свойственна копиру 9 (фиг. 1).

Профиль кулачкового вала обычно принято восстанавливать одним из двух известных методов: 1) наплавкой изношенного профиля кулачка с последующей обработкой до номинальных (по чертежу) размеров; 2) обработкой изношенного профиля кулачка до ремонтных размеров.

Рассмотрим второй случай, поскольку он представляет наибольший интерес как в силу простоты выполнения операций, так и по причине вынужденного при обработке изменения номинальных размеров элементов профиля кулачка, что без знания некоторых особенностей может привести к недопустимому искажению закона подъема ролика толкателя топливного насоса.

Как следует из чертежа кулачкового вала насоса НД-21 [3] закон подъема ролика толкателя в меньшей степени изменится, если съем металла с поверхности профиля кулачка производить за счет уменьшения размера r (фиг. 3,4), например, на величину, равную глубине местного износа профиля, сохраняя при этом размер по чертежу. В таком случае обработку вала под ремонтный размер и первичное врезание шлифовального круга в тело обрабатываемого вала, например, на глубину Δ целесообразно производить в положении, изображенном на фиг. 4.

Съем металла с поверхности детали при шлифовании аналогичен процессу изнашивания при трении, поэтому для анализа картины, представленной на фиг. 4, используем основные положения теории трения и износа такого конструктивно и функционально близкого технического узла, как колодочное тормозное устройство, в котором к вращающемуся барабану (аналог шлифовальный круг) прижимается тормозная накладка (аналог обрабатываемый вал).

Крагельский И. В. предложил [4] оценивать такие устройства по энергетической интенсивности изнашивания, определяемой для вращательного движения, как частное от деления объема изношенного материала на произведение момента силы трения на угол охвата детали (длину дуги охвата) в градусах или радианах. Отсюда следует, что большая интенсивность изнашивания (иначе - производительность обработки) имеет место при меньшем угле охвата.

На фиг. 4 применены следующие обозначения: 1 обрабатываемый кулачковый вал (изображена вогнутая часть профиля радиуса R); 2 шлифовальный круг радиуса r_к; r_н радиус вписанной в тело вала окружности (конструктивный размер вала); Δ глубина врезания шлифовального круга 2 в тело вала 1; D = H_ρ-H_R (H_ρ высота сегмента, принадлежащего кругу радиуса r_к; H_R высота сегмента, принадлежащего кругу радиуса R). Остальные обозначения на фиг. 4 очевидны и не требуют дополнительных разъяснений.

Необходимо получить зависимость центрального угла Φ_ρ (угол охвата, ему соответствует дуга х1сх2) от радиуса шлифовального круга 2 в виде металлического выражения и подвергнуть последнее исследованию на экстремум.

Уравнение окружности радиуса R с координатами (X=O; Y=A) имеет вид [5]
x² + (У А)² R² (1)
Уравнение окружности радиуса r_к с центром в начале координат имеет вид:
x²+[y-(r_н-Δ+ρ_к)]²=ρ2к

... (2)
В результате совместного решения управлений (1) и (2) относительно Y получаем ординату точек пересечения окружностей:

В правой части выражения (3) второе слагаемое является высотой H_R сегмента:

Тогда:

Из треугольника OdX2 имеем:


В результате преобразований получаем:

График зависимости угла охвата φ_ρ от радиуса шлифовального круга для R= 43,7 мм и D=0,30 мм представлен на фиг. 5 (кривая 1), откуда следует, что функция (8) имеет экстремум, для нахождения которого можно использовать данный график или взять первую производную и приравнять ее нулю [5]

R-2ρ_к+Δ =0... (10)
Откуда выражение для расчета оптимального радиуса шлифовального круга и соответственно радиуса эталонного ролика:

Пример 1. По чертежу кулачкового вала НД-21 радиус впадины равен R=43,7 мм. Примем Δ 0,30 мм. Тогда получим r_к= 22 мм..

Пример 2. Для R=43,7 мм и Δ 0 (условие касания шлифовальным кругом поверхности вала в т.d) получим:

С учетом (11) и (12) можно считать, что радиус шлифовального круга должен устанавливаться из диапазона размеров:

Как указывалось выше, необходимо, чтобы соблюдалось равенство ρ_к=ρ_э, поэтому при шлифовании кулачкового вала как ремонтной заготовки надо использовать износостойкие и долговечные круги, например, алмазные.

При использовании шлифовального круга оптимизированного радиуса улучшается условия его охлаждения, облегчается вывод продуктов износа материалов детали и круга из зоны шлифования, круг имеет большую наработку по критерию "засаливание".

Использование: в устройствах для обработки сложного профиля по копирам, в частности, для восстановления изношенного профиля, главным образом вогнутого участка кулачкового вала топливного насоса высокого давления дизеля. Сущность изобретения: при обработке кулачкового вала шлифовальным кругом с использованием в качестве копира эталонного кулачкового вала шлифовальный круг модуля устройства выбирают с радиусом ρ_к, установленным в пределах значений по соотношению ρ_к=[R/2...(R+Δ)/2], где R - радиус образующей окружности вогнутого участка профиля обрабатываемого кулачкового вала; Δ - глубина врезания шлифовального круга в тело обрабатываемого вала. 5 ил.

Копировальное устройство для шлифования кулачкового вала при ремонте, содержащее рабочий модуль в виде шлифовального круга с приводом вращения и поперечной подачи и эталонный модуль, включающий копир в виде эталонного кулачкового вала, связанный с приводом вращения и поперечной подачи обрабатываемого кулачкового вала, и ролик, установленный на столе устройства с возможностью взаимодействия с копиром, отличающееся тем, что шифовальный круг выполнен с радиусом, установленным в пределах

где R радиус образующей окружности вогнутого участка профиля обрабатываемого кулачкового вала;
Δ глубина врезания шлифовального круга в тело обрабатываемого кулачкового вала.