СПОСОБ ОБРАБОТКИ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК B24B19/12 

Изобретение относится к станкостроению и предназначено для изготовления деталей со сложной криволинейной поверхностью, например типа профиля кулачка кулачкового вала и пр.

Известен способ абразивной обработки криволинейных поверхностей, при котором изделию сообщают перемещение по круговой траектории и вращение вокруг планетарной оси, а инструменту обеспечивают возможность движения его в направлении подачи на врезание в изделие, при этом результирующую скорость планетарного вращения изделия устанавливают равной 0,2 2 скорости вращения инструмента (см. А.с. СССР N 1117193 МКИ B 24 B 1/00, Б.И. N 37, 1984).

Основным преимуществом этого способа обработки криволинейных поверхностей является относительно высокая производительность, обусловленная тем, что обрабатывают одновременно несколько изделий. Кроме того, за счет обеспечения высоких значений результирующей скорости перемещения обрабатываемой поверхности относительно режущей поверхности инструмента создаются благоприятные условия для более полного проявления адсорбционного эффекта Ребиндера, а значит существенно снижается вероятность возникновения прижогов и шлифовочных трещин, что особенно важно при обработке жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов на хромоникелевой основе. Однако этот способ обработки криволинейных поверхностей деталей не позволяет осуществлять обработку изделий с переменой кривизной поверхности, например профильной части кулачковых валов, к поверхности которых предъявляются повышенные требования по качеству и точности обработки. Это обусловлено тем, что при обработке деталей с переменной кривизной поверхности расстояние от оси перемещения изделий по круговой траектории до точки касания инструмента с обрабатываемым участком заданного профиля, при вращении изделия вокруг планетарной оси изменяется, что приводит к необходимости перемещения инструмента в направлении изменения указанного расстояния, причем с очень большой скоростью, что практически невозможно из-за возникновения очень больших неуравновешенных инерционных сил.

Наиболее близким к заявляемому является способ обработки криволинейных поверхностей изделий, известный из описания к изобретению по А.с. СССР N 1682131, МКИ B 24 B 19/14, 1989, опубликовано в Б.И. N 37 от 1991, в соответствии с которым изделию сообщают перемещение по круговой траектории и управляемое вращение вокруг планетарной оси, а инструменту обеспечивают возможность подачи его на врезание в изделие и следящее перемещение за заданным профилем в плоскости подачи инструмента на врезание в изделие.

Существенным недостатком известного способа обработки криволинейных поверхностей изделий является то, что он не обеспечивает требуемое качество, точность и высокую производительность обработки изделий с высокой крутизной подъема профиля, как например профиля кулачка кулачкового распредвала или турбинных лопаток с большой степенью закрутки профиля по высоте пера. Основной причиной указанного недостатка является большая инерционность шлифовальной бабки, имеющей как правило массы в несколько десятков или сотен килограммов.

Заявляемый способ обработки криволинейных поверхностей изделий направлен на изготовление деталей с большим углом подъема профиля, типа профиля кулачков кулачковых распредвалов. При этом обеспечивается высокая производительность, требуемое высокое качество и точность обработки.

Согласно предлагаемому способу обработки криволинейных поверхностей изделий, при котором их перемещают по круговой траектории и вращают вокруг планетарных осей с расчетной угловой скоростью, а инструменту сообщают радиальную подачу на врезание, в соответствии с предлагаемым изобретением, на этапе врезания инструмента угловую скорость вращения изделий вокруг планетарных осей выбирают из условия контакта их с инструментом одними и теми же точками заданного профиля, а радиальную подачу инструмента на врезание осуществляют на всю величину снимаемого припуска, при этом изделиям сообщаются дополнительное перемещение в плоскости, перпендикулярной оси их кругового движения, поддерживая постоянным расстояние между осью кругового движения и точкой касания инструмента с обрабатываемым участком заданного профиля. При этом угловую скорость вращения изделий вокруг планетарных осей на этапе врезания выбирают равной либо 0, либо кратной угловой скорости кругового движения изделий, а расчетную угловую скорость вращения изделий вокруг планетарных осей на этапе обработки определяют по формуле:
W_пл W_кр•Fi_max
где W_пл угловая скорость вращения изделия вокруг планетарной оси; W_кр угловая скорость перемещения изделия по круговой траектории; Fi_max максимальный угол поворота изделия вокруг планетарной оси за время одного оборота вокруг оси перемещения изделия по круговой траектории, при котором глубина резания не превышает заданной, предельно допустимой величины.

Решений со сходными признаками в других областях техники заявителем не обнаружено.

На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа обработки криволинейных поверхностей; на фиг. 2 изображен вид A на фиг. 1; на фиг. 3 представлена условная схема для расчета максимального значения величины угла (Fi_max) поворота изделия вокруг планетарной оси за время одного поворота вокруг оси перемещения изделия по круговой траектории.

Устройство для реализации предлагаемого способа обработки криволинейных поверхностей изделий состоит из абразивного инструмента 1, установленного на станине (на схеме условно не показана) с возможностью подачи его на врезание в изделие 2, которое закреплено на шпинделе планетарного приспособления, смонтированного на подвижной каретке 4. Каретка 4 установлена на поворотном барабане 5 с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной к оси перемещения изделия 2 по круговой траектории при помощи подпружиненного пружиной 6 кулачка 7, связанного посредством ролика 8 с кареткой 4 при помощи пружины 9. Кулачок 7 установлен на поворотном барабане 5 с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении оси О-О, например при помощи силового гидроцилиндра (на схеме условно не показан) через толкатель 10. Поворотный барабан 5 установлен, например на шпинделе 11 передней бабки кругло-шлифовального станка, и кинематически связан с приводом вращения (на схеме не показан) при помощи поводка 12. Вращение изделия 2 вокруг планетарной оси обеспечивается при помощи привода 13, работа которого синхронизируется с работой привода вращения поворотного барабана 5.

Обработка изделий по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Заготовки, например кулачковых валов 2, закрепляются в каждом шпинделе 3 равномерно распределенных по периметру поворотного барабана 5 планетарных приспособлений, причем заготовки закрепляются в определенном 9 исходном угловом положении так, что при вхождении в контакт с абразивным инструментом 1 происходит обработка идентичных участков каждого изделия. После закрепления изделий поворотный барабан 5 приводится во вращение, а изделия 2 при этом либо неподвижны, либо приводятся во вращение с угловой скоростью, кратной угловой скорости кругового вращения поворотного барабана 5. В этот момент происходит подача инструмента 1 на врезание в изделие и осуществляется врезание, например на всю величину снимаемого пропуска δ.

После завершения врезания изделиям задается вращение вокруг соответствующих планетарных осей О_пл-О_пл с угловой скоростью W_пл, которую определяют из соотношения:
W_пл W_кр•Fi_max
где W_пл угловая скорость вращения изделия вокруг планетарной оси; W_кр угловая скорость перемещения изделия по круговой траектории; Fi_max максимальный угол поворота изделия 2 вокруг планетарной оси О_пл-O_пл за время одного оборота поворотного барабана 5 вокруг оси перемещения изделия по круговой траектории, при котором глубина резания не превышает заданной (например [t]), предельно допустимой величины.

При вращении изделия 2 вокруг планетарной оси происходит синхронное изменение положения толкателя 10, приводимого в движение, например силовым гидроцилиндром (на схеме не показан), в результате чего кулачок 7 через следящий ролик 8 смещает каретку 4 в направлении поддержания постоянства расстояния R_ф от оси О-О перемещения изделия 2 по круговой траектории до точки касания обрабатываемого участка профиля с абразивным инструментом 1. Обработка осуществляется до тех пор, пока изделие 2 совершит полный оборот вокруг планетарной оси.

Величина угла Fi_max поворота изделия 2 вокруг планетарной оси за время одного оборота поворотного барабана 5 при переходе от формирования, например первого участка заданного профиля F_ф(X,Y) точка A₁ касания заданного профиля F_o(X, Y) с дугой 1 1 формирующей цилиндрической поверхности радиуса R_ф, ко второму участку точка A₂ касания заданного профиля F_o(X,Y) с дугой П-П формирующей цилиндрической поверхности радиуса R_ф (см. фиг. 2), может быть определен следующим образом.

Согласно формуле изобретения угол Fi_max (см. фиг. 3) это угол поворота изделия 2 вокруг планетарной оси О_пл -О_пл за время одного оборота поворотного барабана 5, при котором глубина резания t (толщина стружки, снимаемая режущим зерном) не превышает предельно допустимой величины (t), которая, в зависимости от физико-механических и структурных свойств абразивного инструмента и обрабатываемого материала, может изменяться в пределах 0,5.5,0 мкм. Аналитически это требование можно выразить следующей зависимостью
t Sn/W_кп ≅ (t)
где Sn (мм/мин) поперечная подача инструмента 2 на врезание в изделие при круглом врезном шлифовании цилиндрической поверхности диаметром D 2R_ф; W_кр скорость вращения поворотного барабана 5 (об/мин). (Величина Sn выбирается из нормативносправочных материалов).

Величину угла Fi_max можно определять как аналитическим, так и численно-аналитическим методами.

Пусть, например, профиль готового изделия (кулачка) имеет участок в форме кругового цилиндра, который может быть описан системой

где r_o радиус готового профиля, а профиль этого же участка заготовки пусть описывается системой

где r_з радиус заготовки (см. фиг. 3). И пусть на этапе врезания сформировался цилиндрический участок I-I с радиусом R_ф, точка A₁ которого принадлежит профилю готового изделия, а точка B₁ профилю заготовки. Тогда, при переходе от формирования первого участка готового профиля в окрестности точки A₁, к формированию второго участка готового профиля с окрестностью в точке A₂ должно соблюдаться условие (2):
O₂B₁ R_ф t ≅ (t)
где O₂ инверсионное положение центра вращения барабана при формировании точки A₂ заданного профиля. Координаты O₂ могут быть определены следующим образом:

где R_б R_ф r₀ расстояние от оси вращения барабана до оси планетарного вращения изделия, Fi_max угол поворота изделия вокруг планетарной оси за один оборот барабана.

Координаты точки B₁ могут быть найдены при решении системы уравнений (3) относительно неизвестных X_B1 и Y_B2.

Решение этой системы уравнений имеет вид

Теперь, зная координаты точек O₂ и B₁, расстояние O₂B₁ может быть определено из соотношения

С учетом (3), (5) и (6) и после соответствующих преобразований уравнение (2) имеет вид

Для упрощения записи тригонометрического уравнения (7) введем следующие обозначения;

a X_B1;
b Y_B1;
Тогда уравнение (7) можно записать в виде
b•cos(Fi_max) a•Sin(Fi_max) d (9)
С учетом известного тригонометрического соотношения (sin²α= 1-cos²α) уравнение (9) можно представить в виде
b•cos(Fi_max) a•(1-cos²(Fi_max))^0.5 d
или после преобразований
(a²+b²)•cos²(Fi_max) - 2bd•cos(Fi_max) + d₂ a² 0 (10)
Решение уравнения (10) относительно cos(Fi_max) имеет вид

Решая уравнение (11) находим значение Fi_max, которое имеет следующий вид:

Следует отметить, что угол Fi_max можно определять с любой наперед заданной точностью при помощи ЭВМ по следующему алгоритму:
1. Задать исходные значения параметров r_з, r_o, R_ф, R_б, (t).

2. Задать начальное значение угла Fi, например Fi 10^-5град и шаг ΔΦ его изменения, например ΔΦ = 10^-6 град.

3. По уравнениям (3), (5) рассчитать координаты точки O₂(X_O2; Y_O2) и точки B₁(X_B1; Y_B1).

4. По уравнению (6) рассчитать значение расстояния O₂B₁.

5. По уравнению (2) определить значение параметра t и сравнить его с предельно допустимой величиной (t) равной, например 10^-3мм, задавшись предварительно точностью χ = 10^-5 мм
(t-[t])²≅ χ²
6. Если неравенство не выполняется, то назначить новое значение угла F_i = Φ₁+ΔΦ и повторить расчет наличия с п.3. Этот цикл повторяется до выполнения условия неравенства (п. 5).

Полученное таким образом значение угла Fi и будет искомым значением угла Fi_max.

В таблице представлены значения угла Fi_max для цилиндрического участка обрабатываемой поверхности, рассчитанные по вышеприведенному алгоритму для R_ф 150 мм, r_o10,0.25,0 мм, радиальный припуск на обработку Δr = 0,25...2,5 мм
Аналогичным образом угол Fi_max может быть определен и в случае, когда на этапе врезания изделию задают планетарную скорость вращения, кратную угловой скорости кругового вращения.

Таким образом, проведенные расчеты показывают, что при обработке кулачковых валов по предлагаемому способу, максимальное значение угла Fi_max не превышает 0,10 0,02 градуса при величине снимаемого пропуска 0,25.2,5 мм соответственно. А это означает, что, несмотря на относительно большие скорости (3,5. 12,0 м/с) перемещения обрабатываемой поверхности относительно абразивного инструмента (благодаря чему значительно снижается вероятность возникновения шлифовочного брака), динамическая составляющая погрешности позиционирования изделия исчезающе мала, так как угловая планетарная скорость вращения изделия тоже очень мала. Тем самым создаются предпосылки для повышения производительности, точности и качества обработки деталей типа кулачковых валов и пр.

Использование: для обработки изделий с переменной кривизной поверхности, например профильной части кулачковых валов. Сущность: способ обработки криволинейных поверхностей включает перемещение изделия по круговой траектории, вращение вокруг планетарной оси с регулируемой угловой скоростью и подачу инструмента на врезание в изделие. При подаче инструмента на врезание угловую скорость вращения изделий вокруг планетарных осей выбирают из условия контакта их с инструментом одним и теми же точками заданного профиля, а врезание ведут на величину снимаемого припуска. После чего изделию сообщают дополнительное перемещение в плоскости, перпендикулярной оси перемещения изделия по круговой траектории, поддерживая постоянным расстояние от оси перемещения изделия по круговой траектории до точки касания инструмента с обрабатываемым участком заданного профиля. Кроме того, на этапе врезания угловую скорость вращения изделия вокруг планетарной оси выбирают равной 0 или в целое число раз превосходящую угловую скорость перемещения изделия по круговой траектории. Кроме этого, расчетную угловую скорость вращения изделия вокруг планетарной оси на этапе обработки определяют из соотношения: W_пл = W_кр•Fi_max, где W_пл - угловая скорость вращения изделия вокруг планетарной оси; W_кр - угловая скорость кругового движения, Fi_max - максимальный угол поворота изделия вокруг планетарной оси за время одного оборота вокруг оси кругового движения, при котором глубина резания не превышает заданной, предельно допустимой величины. 3 з.п.ф-лы. 3 ил., 1 табл.

1. Способ обработки криволинейных поверхностей изделий, при котором их перемещают по круговой траектории и вращают вокруг планетарных осей с расчетной угловой скоростью, а инструменту сообщают радиальную подачу на врезание, отличающийся тем, что на этапе врезания инструмента угловую скорость вращения изделий вокруг планетарных осей выбирают из условия контакта их c инструментом одними и теми же точками заданного профиля, а радиальную подачу на врезание осуществляют на всю величину снимаемого припуска, при этом изделиям сообщают дополнительное перемещение в плоскости, перпендикулярной оси их кругового движения, поддерживая постоянным расстояние между осью кругового движения и точкой касания инструмента с обрабатываемым участком заданного профиля. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угловую скорость вращения изделий вокруг планетарных осей на этапе врезания выбирают равной 0. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что угловую скорость вращения изделий вокруг планетарных осей ни этапе врезания выбирают кратной угловой скорости кругового движения изделий. 4. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что расчетную угловую скорость вращения изделий вокруг планетарных осей на этапе обработки определяют по формуле
W_пл W_кр • F_imax,
где W_пл угловая скорость вращения изделия вокруг планетарной оси, рад/с;
W_кр частота кругового движения изделия, об/с;
F_imax максимальный угол поворота изделия вокруг планетарной оси за время одного оборота вокруг оси кругового движения, при котором глубина резания не превышает заданной, предельно допустимой величины.