СПОСОБ УСТАНОВКИ ТОНКОСТЕННОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B23B31/40 B24B1/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при шлифовании тонкостенных заготовок на упоре.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в обеспечении повышения качества обработанных торцовых поверхностей тонкостенных пустотелых заготовок.

Известен способ и устройство для окончательного шлифования заготовок с тонкими стенками [1] при котором в процессе обработки поверхности тонкой стенки СОЖ подают на заготовку изнутри на поверхность, противоположную обрабатываемой поверхности, за счет чего интенсифицируется отвод тепла. Однако это изобретение имеет существенные недостатки: при его использовании невозможно обеспечить высокую точность размеров и формы обработанной поверхности на операциях шлифования заготовок с тонкими стенками вследствие их нежесткости, обуславливающей значительные упругие отжатия под действием сил резания. Кроме того, теплопроводность водной СОЖ на 2-3 порядка ниже теплопроводности металла, что замедляет процесс отвода тепла от тонкой стенки, а это, в свою очередь способствует накоплению тепла в заготовке и, как следствие, вызывает нежелательные структурно-фазовые изменения в материале стенки.

Известен способ, примененный в оправке для крепления тонкостенных заготовок при шлифовании [2] Сущность этого способа заключается в прокачивании жидкости через стык между поверхностью, противоположной обрабатываемой, и поверхностью упора, выполненного в виде жесткого стакана из материала с высокой теплопроводностью, на внешнем торце которого выполнены кольцевые и радиальные канавки, сообщающиеся с каналами для подвода и отвода СОЖ.

Недостатком этого аналога можно считать соединение избыточного давления СОЖ в подводящем канале, а следовательно, и на внешнем торце упора, что может привести к отжиму тонкостенной перегородки от этого торца. В результате увеличивается толщина промежуточного слоя СОЖ между заготовкой и упором. Это, в свою очередь, приведет к росту контактного термического сопротивления, а вместе с ним и теплонапряженности в тонкой стенке заготовки. Кроме того, качество изделия ухудшается еще и потому, что из-за того же отжатия тонкой стенки снижается точность формы ее поверхностей.

Еще одним недостатком аналога является невозможность его применения при обработке заготовок малых размеров из-за необходимости расположения внутри заготовки клинового устройства закрепления.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является выбранный в качестве прототипа способ установки заготовки, применительно к упору в виде переходника, установленного на магнитной плите [3] Технологической базой в этом случае является внутренняя торцовая поверхность заготовки.

У прототипа и изобретения имеются следующие сходные существенные признаки; упор выполнен в виде переходника из материала с высокой теплопроводностью.

Недостатком прототипа является низкая эффективность теплоотвода с поверхности тонкостенной заготовки, противоположной обрабатываемой поверхности.

Указанный недостаток обусловлен тем, что контакт двух неровных поверхностей, имеющих определенную шероховатость (поверхности, противоположной обрабатываемой и поверхности упора), происходит фактически лишь по нескольким микроучасткам (точкам).

Цель изобретения повышение качества обработанных поверхностей заготовок за счет снижения контактного термического сопротивления между заготовкой и упором.

Для достижения поставленной цели изобретение способ установки тонкостенной заготовки при шлифовании и устройство для его осуществления -содержит упор в виде переходника, выполненного из теплопроводного материала, отличающийся тем, что заготовку устанавливают на торец упора с нанесенным на него покрытием из мягкого теплопроводного материала, а к заготовке прикладывают усилие, достаточное для деформации выступов микронеровностей покрытия упора выступами микронеровностей заготовки.

По отношению к прототипу у изобретения имеются следующие отличительные признаки: в процессе установки заготовки на упор к ней прикладывают усилие, достаточное для деформации выступов микронеровностей покрытия упора выступами микронеровностей заготовки, а торец упора, предназначенный для установки заготовки имеет покрытие из мягкого теплопроводного материала.

Между отличительными признаками и целью изобретения существует следующая причинно-следственная связь: в ходе установки с более твердой поверхности заготовки снимается реплика (отпечаток). При этом профиль поверхности покрытия упора становится близким к профилю контактирующей с ним заготовки. Это приводит к увеличению площади фактического контакта и вытеснению значительной части теплоизолирующей прослойки воздуха или любой другой среды, находящейся в стыке. Последнее обстоятельство и обеспечивает снижение контактного термического сопротивления.

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе, может быть многократно использована в машино- и приборостроении при шлифовании тонкостенных заготовок с получением технического результата, заключающегося в снижении контактного термического сопротивления стыка заготовка упор, обуславливающего достижение поставленной цели повышение качества обработанной поверхности тонкостенных заготовок.

На фиг. 1 изображено устройство для установки заготовки при шлифовании; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 увеличенное изображение стыка "поверхность заготовки, противоположная обрабатываемой поверхность упора" до приложения усилия к заготовке; на фиг. 4 тот же стык после приложения усилия к заготовке.

Способ установки тонкостенных заготовок при шлифовании и устройство для его осуществления могут быть реализованы с помощью упора 1 в виде переходника от магнитной плиты 2 станка к заготовке 3, выполненного из материала с высокой теплопроводностью, покрытого более мягким материалом 4.

Переходник состоит из отдельных магнитопроводов 6 по числу полюсов магнитной плиты 2, попавших в сопряжение переходник плита. Магнитопроводы скреплены между собой обоймой 5.

Процесс установки заготовки на упор целесообразно осуществить следующим образом. Заготовку устанавливают на упор, при этом ее базирование происходит по поверхности, противоположной обрабатываемой, но фактический контакт происходит по нескольким микроучасткам (точкам) (фиг. 3). Зазор А, образованный впадинами профилей шероховатостей контактирующих поверхностей, имеет величину, численно равную сумме высот неровностей профилей по десяти точкам обеих поверхностей:
A=R_z1+R_z2.

Затем к поверхности, подлежащей обработке, прикладывается нормальная по направлению к этой поверхности и равномерно распределенная по ней нагрузка, достаточная для деформации выступов профиля поверхности упора выступами профиля шероховатости поверхности заготовки, противоположной обрабатываемой. При этом профили шероховатости обеих поверхностей становятся идентичными (фиг. 4). Далее нагрузка снимается, а заготовка в сборе с упором подвергается обработке.

Согласно второму пункту формулы изобретения в устройстве упор 1 имеет покрытие 4 из более мягкого материала. Это позволяет снизить усилие во столько раз, во сколько предел текучести покрытия меньше предела текучести материала упора. В свою очередь, последнее обстоятельство исключает появление остаточной деформации упора, снижающей точность размеров, формы и расположения поверхностей обработанной заготовки.

В процессе работы магнитное поле плиты станка, передаваемое переходником, удерживает заготовку на упоре. Тепло, выделяющееся в зоне резания, передается в тонкостенную заготовку и далее через стык заготовка покрытие упора передается в массивный упор, чему не препятствует минимальное термическое сопротивление вышеупомянутого стыка.

Эффективность изобретения подтверждается следующим расчетом.

Контактное термическое сопротивление стыка заготовки с упором складывается из сопротивления зазора и термического сопротивления покрытия. В свою очередь, первое слагаемое состоит из сопротивления газожидкостного зазора и сопротивления мест фактического контакта двух поверхностей. Однако последним, вследствие незначительности, можно пренебречь. Таким образом, общее термическое сопротивление стыка можно определить по формуле (Шлыков Ю.П. и др. Контактное термическое сопротивление. М. Энергия, 1977, с. 17,293).

где R_z1, R_z2 высота неровностей профиля по десяти точкам контактирующих поверхностей соответственно покрытию упора и заготовки, м;
δ толщина покрытия, м;
l_c, λ_п коэффициент теплопроводности, соответственно, газожидкостной среды в зазоре и покрытия, Вт/(м•К);
Y относительная величина.

После приложения нагрузки первое слагаемое в формуле (1) уменьшается до нуля. Тогда

Снижение термического сопротивления определяется:

Таким образом, при любом сочетании всех параметров в формуле (3) коэффициент К>1. Пример: R_z1=R_z2=10 мкм; δ=20 мкм; Y=1,5; теплопроводность водной СОЖ l_c= 0,386 Вт/(м•К); теплопроводность оловянисто-свинцового припоя (покрытия) λ_п=100 Вт/(м•К).

При вышеуказанных условиях коэффициент снижения сопротивления К=133.

Анализ формулы (3) показывает, что коэффициент К значительно больше при контакте грубообработанных поверхностей, причем увеличивается с увеличением коэффициента теплопроводности покрытия. Коэффициент К (а вместе с ним и сравнительная эффективность заявляемого способа) снижается с увеличением толщины покрытия, а также коэффициента теплопроводности среды в зазоре базового устройства (прототипа).

Минимальная толщина покрытия выбирается исходя из условия полного погружения профиля шероховатости поверхности заготовки в слой вышеупомянутого покрытия. Таким образом, толщина покрытия не должна быть меньше параметра R_max профиля шероховатости поверхности заготовки, контактирующей с упором.

Величина силы, необходимой для получения реплики на упоре с покрытием определяется из того же условия полного погружения профиля шероховатости поверхности заготовки и рассчитывается следующим образом:
P = K•σ_т•S_н, (4)
где σ_т предел текучести материала покрытия, МПа;
S_н номинальная площадь контакта заготовки и упора, м²;
K коэффициент запаса (К=1,05.1,10).

Пример: при σ_т=30 МПа и S_н=100 мм², имеем:
P=1,075•30•10^-4=0,003225 МН.

Способ установки тонкостенных заготовок при шлифовании и устройство для его осуществления представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволяет существенно снизить теплонапряженность процесса обработки, тем самым повышая качество обработанной поверхности и заготовки в целом.

Решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Использование: в машиностроении при шлифовании тонкостенных заготовок на упоре. Сущность изобретения: заготовку 3 устанавливают на упор 1 в виде переходника, выполненного из материала с высокой теплопроводностью и покрытого более мягким материалом 4. Переходник состоит из отдельных магнитопроводов, скрепленных обоймой. Базирование заготовки происходит по поверхности, противоположной обрабатываемой, но фактический контакт происходит по нескольким микроучасткам (точкам). Зазор А, образованный впадинами профилей шероховатостей контактирующих поверхностей, имеет величину, численно равную сумме высот неровностей профилей по десяти точкам обеих поверхностей. Затем к поверхности, подлежащей обработке, прикладывается нормальная по направлению к этой поверхности и равномерно распределенная по ней нагрузка, достаточная для деформации выступов профиля поверхности упора выступами профиля шероховатости поверхности заготовки, противоположной обрабатываемой. При этом профили шероховатости обеих поверхностей становятся идентичными. Далее нагрузка снимается, а заготовка в сборе с упором подвергается обработке. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ установки тонкостенной заготовки при шлифовании, включающий установку заготовки на торец упора, отличающийся тем, что заготовку устанавливают на торец упора с нанесенным на него покрытием из мягкого теплопроводного материала, а к заготовке прикладывают усилие, достаточное для деформации выступов микронеровностей покрытия упора выступами микронеровностей заготовки. 2. Устройство для установки тонкостенной заготовки при шлифовании, содержащее упор, выполненный из высокотеплопроводимого материала, отличающееся тем, что на торец упора, предназначенный для установки заготовки, нанесено покрытие из мягкого теплопроводного материала, предназначенное для взаимодействия с заготовкой.