АБРАЗИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫЕ ДЕФОРМАЦИИ В СРЕЗАЕМОМ СЛОЕ Российский патент 2000 года по МПК B24D5/02 B24B45/00 

Изобретение относится к абразивной металлообработке и касается конструкций абразивных инструментов, которые могут быть использованы при врезном шлифовании труднообрабатываемых материалов, в частности на плоско-, круглошлифовальных станках, станках с ЧПУ, гибких производственных модулях для финишных операций в условиях серийного производства.

Известны сборные шлифовальные круги, которые выполнены в виде закрепленных на общем валу с осевым зазором один относительно другого и наклонных к плоскости вращения абразивных дисков [1,2].

Недостатком известных круга является сложность процесса обработки, так как при шлифовании широких поверхностей необходимо осуществление продольной и поперечной подач. При шлифовании же только с поперечной подачей места стыков дисков (при их износе и уменьшении диаметра) на обрабатываемой поверхности оставляют дефекты, что недопустимо. Кроме того, шлифовальные круги неэффективны, так как не обеспечивают возможность повышения интенсивности обработки и повышенного качества при шлифовании высокопрочных материалов и металлов с напыленными износостойкими покрытиями (например, на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и др.).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является абразивный инструмент, состоящий из шлифовального круга, которому сообщают вращение и движение подачи, а заготовке - возвратно-поступательное перемещение относительно круга, при этом берут второй шлифовальный круг, устанавливают его соосно первому со смещением вдоль оси и сообщают вращение в направлении, противоположном вращению первого [3].

Недостатками известного абразивного инструмента являются высокий температурный режим работы кругов при повышении интенсивности обработки, при этом инструмент малоэффективен и не обеспечивает возможность повышенного качества при шлифовании высокопрочных материалов и металлов с напыленными износостойкими покрытиями (например, на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и др. ) из-за появления прижогов и микротрещин на обрабатываемой поверхности и затрудненного попадания СОЖ в зону обработки, а также повышенный расход абразива. Кроме того, способ затрудняет применение высокоэффективных кругов с аксиально смещенным режущим слоем.

Задачей изобретения является повышение производительности обработки высокопрочных материалов и металлов с напыленными износостойкими покрытиями (например, на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и др.) при сохранении качества изделия и бесприжоговости обработки, а также снижение энергозатрат на единицу объема снимаемого металла.

Поставленная задача решается предлагаемым абразивным инструментом, содержащим два шлифовальных круга одинакового диаметра, расположенные на коаксиальных полом и центральном валах с возможностью вращения в противоположных направлениях и движением подачи, при этом для создания знакопеременных деформаций в срезаемом слое он содержит две планшайбы, центральный вал выполнен со сферической шейкой, круги установлены на валах под углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем первый шлифовальный круг жестко закреплен на полом валу планшайбы, выполненной в виде торцового кулачкового механизма осцилляции второго круга и установленной в контакте с планшайбой, на которой с возможностью осцилляции, зависящей от осцилляции первого круга, установлен второй круг, планшайба второго круга шарнирно сопряжена со сферической шейкой центрального вала, а круг выполнен высотой B₂ со сферической наружной поверхностью диаметром D_сф и расположен симметрично относительно центра сферы шейки центрального вала, кроме того, его максимальный угол наклона α_max определен из выражения
α_max arctg(B₂/D_сф).

На фиг. 1 показана конструкция абразивного инструмента, обеспечивающая знакопеременные деформации в срезаемом слое, частичный продольный разрез; на фиг. 2 - вид по А на фиг. 1; на фиг. 3 - общий вид в положении, когда инструмент повернут на 180^o относительно положения на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 - развертка следа кругов на обрабатываемой поверхности.

Абразивный инструмент, обеспечивающий знакопеременные деформации в срезаемом слое, устанавливают на модернизированных плоско-, круглошлифовальных станках, станках с ЧПУ и гибких производственных модулях.

Первый шлифовальный круг 1 и второй - 2 расположены соответственно на полом 3 и центральном 4 коаксиальных валах в шпиндельном узле шлифовальной бабки (не показана). Валам сообщают вращения в противоположных направлениях.

Особенностью конструкции абразивного инструмента, обеспечивающего знакопеременные деформации в срезаемом слое, является следующее. Шлифовальный круг 1 берут типа ПВ и устанавливают на полом валу 3 под острым углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения, с помощью косого фланца 5, а крепление производят планшайбой 6, представляющей собой торцовый кулачковый механизм осцилляции для круга 2.

Шлифовальный круг 2 типа ПП шарнирно установлен на центральном валу 4 на планшайбе 7 со сферическим отверстием и сопряженной с ней сферической шейкой 8 через шарики 9, контактирующие с пазами 10 в планшайбе 7, при этом круг расположен симметрично относительно центра сферы шейки 8 и наружная периферийная поверхность заправлена по сфере. Кроме того, планшайба 7 своей опорной поверхностью, расположенной на торце 11, контактирует с торцовым кулачковым механизмом осцилляции планшайбы 6. Крепление шлифовального круга 2 на планшайбе 7 осуществляют гайкой 12, а сферической шейки 8 на центральном валу 4 - гайкой 13.

Абразивный инструмент, обеспечивающий знакопеременные деформации в срезаемом слое, работает следующим образом. Шлифовальному кругу 1 сообщают вращение с частотой, допускаемой режущими свойствами инструмента, в одном направлении, второму кругу 2 - в противоположном направлении с той же частотой. Обрабатываемой заготовке, если, например, рассматривать традиционное плоское шлифование, закрепленной на магнитной плите (не показана), сообщают прямолинейное возвратно-поступательное движение в продольном направлении. При этом столу обеспечивают также периодическую подачу после каждого или двойного хода стола. После каждого прохода шлифовальной бабке сообщают вертикальную подачу до полного снятия всего припуска. Для использования предлагаемого абразивного инструмента, обеспечивающего знакопеременные деформации в срезаемом слое, на плоскошлифовальном станке модернизируют узел главного движения - вращение шлифовальных кругов. Модернизация заключается в установлении в шпиндельном узле полого и центрального коаксиальных валов. Полый вал размещен в шпиндельном узле на гидростатических опорах, во внутренних опорах которого находится центральный вал, при этом каждый вал имеет свой механизм привода.

Шлифовальные круги располагают со смещением вдоль оси и под острым углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения. Тогда неподвижно закрепленный на полом валу 3 круг 1 высотой B₁ при каждом проходе будет обрабатывать поверхность шириной B_1o (см. фиг. 1, 5) благодаря осцилляции аксиально смещенного режущего слоя. Ширина поверхности B_2o, захватываемая кругом 2 при каждом проходе, зависит от глубины резания t₂ и D_сф - диаметра сферы, по которой заправлен круг 2 и определяется по формуле
B_2o-(t₂•D_сф-t₂ ²)^1/2.

Для угла α наклона шлифовального круга 2, равного
α_max = arctq(B₂/D_сф)
ширина поверхности будет изменяться от максимального значения B_2o до
B_2o ¹ = B₂₀/2,
как показано на развертке следа инструмента на обрабатываемой поверхности на фиг. 5. Для углов наклона круга 2 менее α_max - ширина шлифования будет постоянной и максимальной B_2o. Для углов наклона круга 2 более α_max - ширина B_2o будет уменьшаться и доходить до нуля, т. е. контакт круга с заготовкой будет прерываться, что не производительно. Поэтому оптимальным углом наклона шлифовальных кругов будет α_max, при котором вся сферическая периферийная поверхность круга 2 будет участвовать в работе и равномерно изнашиваться.

Круг 1, срезая слой металла, формирует текстуру поверхностного слоя с вектором ω₁ и деформацию сдвига в одном направлении (на фиг. 5 стрелками показано вниз). Круг 2, осциллирующий синхронно относительно первого круга, вращается в противоположном направлении и, срезая слой металла, формирует текстуру поверхностного слоя с вектором ω₂ и деформацию сдвига в другом направлении (на фиг. 5 - вверх). Таким образом, автоматически создаются знакопеременные деформации сдвига в поверхностном слое заготовок и постоянно осуществляется резание против направления векторов ω₁ и ω₂ а, следовательно, и текстуры срезаемого слоя. В результате снижается сила резания и повышается эффективность процесса шлифования [4].

Глубины резания каждым кругом могут быть выбраны в различных соотношениях, исходя из потребностей обработки (например, равны друг другу t₁=t₂=0,03 мм или отличаться по величине t₁=0,03 мм t₂=0,01 мм). Различие в глубине резания обеспечивается условиями правки шлифовальных кругов, то есть величинами их наружных диаметров перед началом обработки. При равенстве наружных диаметров кругов теоретически t₁=0, однако за счет более интенсивного износа второго круга первым кругом будет осуществляться процесс тонкого шлифования в пределах t₁=0,001 - 0,005 мм и более в зависимости от величины t₂.

Центральный 4 и пустотелый 3 валы получают независимое вращение с одинаковой или разной частотой. Планшайба 7, своим торцом 11 опираясь на кулачковый механизм планшайбы 6, совершает осцилляцию, поворачиваясь по сферической шейке 8. Благодаря вращению шлифовального круга 2 с непрерывной осцилляцией, синхронной осцилляции 1 круга, на сферической шейке 8 изменяется угол положения зерен относительно обрабатываемой поверхности (зерна круга 2 становятся под разными углами к поверхности при различном угловом положении шлифовального круга 2). Это способствует повышению качества обработки вследствие лучшего самозатачивания зерен.

За счет предотвращения снижения шероховатости поверхности и исключения теплового воздействия при обработке заготовок предлагаемым абразивным инструментом, обеспечивающим знакопеременные деформации в срезаемом слое, брак сокращается до 60%.

В результате осцилляции зоны резания и противоположной направленности вращения кругов гарантируется бесприжоговость обработки, улучшение качества обрабатываемой поверхности, что позволяет интенсифицировать процесс шлифования.

Исследования, проведенные на модернизированном плоскошлифовальном станке мод. ЗБ722 при шлифовании предлагаемым инструментом с алмазными кругами заготовок из стали 45 с различными износостойкими покрытиями (на основе оксидов, карбидов, нитридов и боридов), показали, что по сравнению с обычным шлифованием одним кругом, при котором на покрытии не появляются микротрещины и сколы, можно увеличить до 0,02 мм (т. е. в 2 раза). Кроме того, существенно снижаются энергозатраты на единицу объема металла, снимаемого за 1 мин, и в 3-4 раза повышается производительность обработки при сохранении заданных характеристик качества изделия по шероховатости, остаточным напряжениям и др.

Таким образом, особенностью предлагаемого абразивного инструмента, обеспечивающего знакопеременные деформации в срезаемом слое, является совмещение осцилляции зоны шлифования, улучшающая тепловой баланс инструмента, повышающая его стойкость и уменьшающая засаливаемость, с обеспечением знакопеременных деформаций сдвига в поверхностном слое и осуществлением резания против направления текстуры срезаемого слоя, которые расширяют технологические возможности, обеспечивают повышение производительности обработки при сохранении качества изделия, снижают энергозатраты на единицу объема снимаемого металла.

Предлагаемый абразивный инструмент обеспечивает свободный подвод смазывающе-охлаждающей жидкости в зону обработки, что также повышает производительность шлифования.

Источники информации
1. Патент США N 1976233, кл. 51-34, опубл. 1934.

2. А. с. СССР N 689823, МКИ B 24 D 5/00, 2530982/25-08 заявл. 28.09.77, опубл. 05.10.79. Бюл. N 37.

3. А. с. СССР N 1796414, МКИ B 24 B 1/00, 49492539/08 заявл. 08.04.91, опуб. 23.02.93. Бюл.N 7 - прототип.

4. Костин Н. В., Костин А.Н. Автоматизированное обеспечение знакопеременных деформаций в срезаемом слое при шлифовании // Станки и инструменты. - 1990. - N 5.- С. 19-20.

Изобретение может быть использовано при врезном шлифовании труднообрабатываемых материалов в условиях серийного производства. Абразивный инструмент содержит два шлифовальных круга одинакового диаметра. Они расположены на коаксиальных полом и центральном валах с возможностью вращения в противоположных направлениях и движением подачи. Для создания знакопеременных деформаций в срезаемом слое инструмент содержит две планшайбы. Центральный вал выполнен со сферической шейкой. Круги установлены на валах под углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения. Первый шлифовальный круг жестко закреплен на полом валу планшайбы, выполненной в виде торцового кулачкового механизма осцилляции второго круга и установленной в контакте с планшайбой, на которой с возможностью осцилляции, зависящей от осцилляции первого круга, установлен второй круг. Планшайба второго круга шарнирно сопряжена со сферической шейкой центрального вала. Круг выполнен высотой B₂ со сферической наружной поверхностью диаметром D_сф и расположен симметрично относительно центра сферы шейки центрального вала. Максимальный угол его наклона зависит от B₂ и D_сф. Техническим результатом изобретения является повышение производительности обработки при сохранении качества изделия. 5 ил.

Абразивный инструмент, содержащий два шлифовальных круга одинакового диаметра, расположенных на коаксиальных полом и центральном валах с возможностью вращения в противоположных направлениях и движением подачи, отличающийся тем, что для создания знакопеременных деформаций в срезаемом слое он содержит две планшайбы, центральный вал выполнен со сферической шейкой, круги установлены на валах под углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем первый шлифовальный круг жестко закреплен на полом валу планшайбы, выполненной в виде торцового кулачкового механизма осцилляции второго круга и установленной в контакте с планшайбой, на которой с возможностью осцилляции, зависящей от осцилляции первого круга, установлен второй круг, планшайба второго круга шарнирно сопряжена со сферической шейкой центрального вала, а круг выполнен высотой B₂ со сферической наружной поверхностью диаметром D_сф и расположен симметрично относительно центра сферы шейки центрального вала, при этом его максимальный угол наклона α_max определен из выражения α_max = arctg(B₂/D_сф).