СПОСОБ ВНУТРЕННЕГО ШЛИФОВАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B24B1/00 B24B55/02 B24B5/06 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам шлифования с охлаждением.

Известен способ шлифования (а.с. СССР 1604585, В 24 В 55/02) - прототип, согласно которому круг с радиально-подвижными сегментами вводят в отверстие заготовки, создают герметичную замкнутую полость, заполняют ее смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ) и сообщают кругу вращательное движение. В данном способе шлифования давление СОЖ в зоне обработки в основном создается за счет заклинивания СОЖ искусственно выполненными наклонными участками набегающей части абразивных сегментов. Выступающая из цилиндрического корпуса часть абразивных сегментов имеет небольшую площадь и размер в радиальном направлении, что не позволяет обеспечить эффективный разгон всей имеющейся в замкнутой полости СОЖ. Отсутствие бокового подпора СОЖ в клиновом участке между кругом и заготовкой не позволяет существенно повысить давление СОЖ в зоне обработки. Шлифование заготовки в герметичной емкости, залитой единичной порцией СОЖ, при напряженных режимах шлифования приводит к быстрому разогреву находящейся в емкости жидкости и снижению эффективности охлаждения. Кроме того, представленная в данном способе конструктивная реализация способа не обеспечивает гарантированного удержания всей залитой в емкость порции СОЖ на протяжении всего процесса обработки. Следовательно, неизбежны утечки СОЖ в процессе шлифования, причем утечки будут происходить по периферии емкости в местах соединения вращающегося уплотнения полости и неподвижного устройства для подачи СОЖ во внутреннюю часть круга.

Известен способ внутреннего шлифования (а. с. CCCP 1366319, В 23 В 51/06), при котором шлифование также ведут в замкнутой полости, частью которой является внутренняя поверхность отверстия в заготовке. В данную полость при вращающемся вхолостую круге подают смазочно-охлаждающую жидкость до ее заполнения, после чего прекращают подачу СОЖ и начинают процесс обработки. Образующиеся за счет разгона жидкости инструментом с прерывистой режущей поверхностью вращающиеся кольца СОЖ интенсифицируют процесс охлаждения и отвод шлама из зоны обработки. Однако малые радиальные размеры выступающих из цилиндрического корпуса круга абразивных сегментов, эксцентричное расположение круга относительно оси вращения заготовки и малое (постоянно уменьшающееся за счет утечек из емкости) количество СОЖ усложняют образование и снижают устойчивость жидкостных колец, что приводит к нестабильности и снижению эффективности охлаждения. Заклинивание СОЖ в сужающемся участке между сегментами круга и заготовкой приводит к существенным вибрациям консольно закрепленного инструмента, что снижает качество обработанных деталей. Данный способ практически невозможно реализовать при использовании серийного инструмента со сплошной режущей поверхностью. Использование для охлаждения порции СОЖ, залитой в герметичную емкость, при напряженных режимах шлифования приводит к быстрому разогреву находящейся в емкости жидкости и снижению эффективности охлаждения. Конструктивная реализация способа не обеспечивает гарантированного удержания всей залитой в емкость порции СОЖ на протяжении всего процесса обработки. Следовательно, неизбежны утечки СОЖ в процессе шлифования, причем, как и в предыдущем способе, утечки будут происходить по периферии емкости в местах соединения вращающегося уплотнения полости и неподвижного устройства для подачи СОЖ во внутреннюю часть круга.

Известен способ внутреннего шлифования (Рубинчик С.И. Высокоскоростное внутреннее шлифование. М. : Машиностроение, 1983, с.19), согласно которому СОЖ подается через осевое отверстие в шпинделе изделия с дросселированием жидкости на выходе из шлифуемой заготовки с помощью заслонки. Неподвижно закрепленная на корпусе шпинделя подпружиненная заслонка контактирует с вращающейся кольцевой заготовкой и, препятствуя истечению СОЖ, образует проточную ванну, в которой вращается шлифовальный круг со сплошной режущей поверхностью. Повышение эффективности охлаждения достигается за счет транспортировки СОЖ в зону обработки абразивным инструментом и повышения давления СОЖ в зоне резания за счет заклинивания СОЖ между кругом и заготовкой. Однако давление в зоне резания не может быть существенно повышено из-за отсутствия выступающих элементов конструкции круга, боковых утечек СОЖ из клина перед зоной обработки и общих утечек СОЖ по периферии проточной ванны между дросселирующей заслонкой и вращающейся заготовкой. В целом, указанные факторы существенно снижают общую эффективность данного метода охлаждения.

Техническим результатом данного изобретения является повышение качества деталей и производительности процесса внутреннего шлифования путем существенного повышения давления и скорости течения СОЖ на обрабатываемой поверхности и в зоне резания.

Для достижения данного технического результата процесс шлифования осуществляют в следующей последовательности: берут сборный абразивный круг с внутренней полостью, радиально-подвижными в его корпусе сегментами и каналами между смежными сегментами, спрофилированными из условия обеспечения наибольшей площади поверхностей корпуса и сегментов, набегающих на СОЖ, осуществляют правку круга с максимально выдвинутыми сегментами, располагают кольцевую заготовку в емкости с осевыми отверстиями в ее торцах для подвода и слива СОЖ вдоль оси заготовки и крышкой для ввода и отвода круга, вводят невращающийся круг в емкость с кольцевой заготовкой, закрывают крышку емкости, включают подачу СОЖ, сообщают кругу возвратно-поступательные и вращательные движения относительно вращающейся или неподвижно закрепленной заготовки, производят черновую, получистовую, чистовую и отделочную обработку заготовки со ступенчатым уменьшением частоты вращения круга, выключают вращение и прочие движения круга и заготовки, выключают подачу СОЖ, снимают крышку, отводят круг, извлекают готовую деталь и промывают емкость. При этом:
- объем протекающей через емкость СОЖ устанавливают из условия обеспечения максимальности и постоянного объема вращающейся в емкости СОЖ с учетом компенсации ее утечек через осевое сливное отверстие;
- амплитуду возвратно-поступательных движений сборного круга устанавливают из условия нахождения центров масс его сегментов в пределах границ шлифуемой поверхности;
- параметры емкости выбирают минимальными из условия осуществления кругом возвратно-поступательных движений и размещения образуемого при шлифовании шлама;
- отделочную обработку производят на режимах, обеспечивающих пластическое деформирование поверхностных слоев заготовки без съема металла.

На фиг.1 представлена схема реализации данного способа внутреннего шлифования; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - увеличенное изображение области I на фиг.2.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут сборный абразивный круг 1 (фиг.1, 2) с внутренней полостью, радиально-подвижными в его корпусе сегментами 2 и каналами между смежными сегментами, спрофилированными из условия обеспечения наибольшей площади поверхностей корпуса и сегментов, набегающих на СОЖ. Круг 1 правят, максимально выдвинув сегменты 2. Кольцевую заготовку 3 располагают в емкости 4 с осевыми отверстиями в ее торцах для подвода и слива СОЖ вдоль оси заготовки и крышкой 5 для ввода и отвода круга. Невращающийся круг 1 вводят в емкость 4 и размещают его соосно с заготовкой 3, закрывают крышку 5, включают подачу СОЖ, сообщают кругу 1 возвратно-поступательные и вращательные движения относительно вращающейся или неподвижно закрепленной заготовки 3. Подача СОЖ осуществляется из неподвижно закрепленного трубопровода 6 во внутреннюю полость 7 круга 1, откуда через каналы 8 в корпусе круга 1 и через являющиеся их продолжением каналы между смежными наружными выступами корпуса круга и абразивными сегментами 2 жидкость перемещается к шлифуемой заготовке 3. В процессе шлифования производят черновую, получистовую, чистовую и отделочную обработку заготовки 3, ступенчато уменьшая частоту вращения круга 1, затем выключают вращение и прочие движения круга 1 и заготовки 3, выключают подачу СОЖ, снимают крышку 5, отводят круг, извлекают готовую деталь и промывают емкость для удаления из нее отходов обработки.

В результате правки круга 1 с максимально выдвинутыми сегментами 2 при последующем шлифовании отверстий меньшего диаметра на каждом из абразивных сегментов 2 образуются зоны дополнительной прерывистости 9, способствующие интенсификации теплоотвода из зоны резания за счет обеспечения лучших условий для попадания СОЖ в зону обработки (фиг.3). Экспериментальные исследования с использованием методики планирования эксперимента показали, что искусственное изготовление на абразивных сегментах наклонных участков для заклинивания СОЖ нецелесообразно (Гусев В.Г., Блурцян Д.Р. Влияние заборной поверхности сегментов сборных абразивных кругов на давление смазочно-охлаждающей жидкости в зоне обработки. Тезисы доклада на научно-технической конференции "Молодые ученые народному хозяйству". Владимир, 1987, стр.8). В процессе шлифования передние кромки абразивных сегментов самозатачиваются, образуя наклонные криволинейные поверхности, достаточные для заклинивания СОЖ. Исключение искусственно сформированных скосов на абразивных сегментах приводит к увеличению площади контакта абразивных сегментов и металла заготовки, что, в свою очередь, приводит к увеличению производительности процесса шлифования.

Включение подачи жидкости обязательно должно предшествовать включению вращения круга. В противном случае одновременная работа нескольких абразивных сегментов без охлаждения приводит к образованию сплошных прижогов шлифуемых поверхностей. Аналогичным образом, выключение вращения круга после обработки должно производиться до прекращения подачи СОЖ в замкнутую емкость.

Емкость для шлифования выполняют проточной, располагая участки подвода и слива СОЖ вдоль оси вращения заготовки и исключая возможности утечек на периферии емкости. Емкость необходимо выполнять проточной, так как использование разовых порций СОЖ, залитых в емкость для шлифования, приводит к ее быстрому разогреву и снижению эффективности охлаждения. Размещение участков подвода и слива СОЖ вдоль оси вращения заготовки позволяет накапливать в емкости максимальные объемы СОЖ, что позволяет обеспечить повышение давления СОЖ в зоне обработки и полное покрытие шлифуемой заготовки охлаждающей жидкостью.

Подвод СОЖ к зоне обработки осуществляют из неподвижно закрепленного трубопровода через осевое отверстие в торце емкости, через внутреннюю полость сборного абразивного инструмента, через каналы в корпусе круга и через являющиеся их продолжением специально спрофилированные каналы между смежными режущими сегментами круга. Теоретическое и экспериментальное сравнение двух методов подвода СОЖ к зоне обработки (непосредственно в емкость, минуя абразивный круг и в емкость через внутреннюю полость в сборном абразивном круге) показало, что более эффективным является охлаждение с подводом СОЖ в емкость через внутреннюю полость в конструкции круга. В этом случае жидкость дополнительно разгоняется каналами инструмента.

При шлифовании необходимо также обеспечивать накопление и удержание в емкости во вращающемся состоянии максимальных объемов жидкости. Объем протекающей (поступающей и вытекающей) через емкость СОЖ устанавливается из условия обеспечения максимального и постоянного объема вращающейся в емкости СОЖ с учетом компенсации утечек через осевое сливное отверстие. Данные условия обусловлены необходимостью обеспечения максимальных давлений СОЖ в зоне обработки. Одной из составляющих суммарного давления СОЖ в зоне обработки является давление, создаваемое вращающимся жидкостным кольцом СОЖ. Увеличение объема вращающегося кольца СОЖ позволяет увеличить данную составляющую суммарного давления СОЖ в зоне обработки.

Экспериментальные исследования показали, что использование сборного абразивного инструмента с цилиндрическим корпусом не позволяет получить высокое и стабильное давление в зоне обработки. Это объясняется тем, что малая площадь или отсутствие наружных выступающих элементов конструкции круга не позволяет привести во вращение накопленную в емкости жидкость. Поэтому обработку необходимо осуществлять инструментом, спрофилированным из условия обеспечения наибольшей площади набегающей на жидкость наружной выступающей поверхности корпуса инструмента и абразивных сегментов.

Параметры емкости для шлифования выбирают минимальными с учетом необходимости осуществления кругом возвратно-поступательных движений и размещения образуемого при шлифовании шлама. Увеличение боковых зазоров между кругом и емкостью приводит к увеличению энергозатрат, необходимых для разгона и вращения в емкости дополнительных объемов СОЖ.

Для обеспечения устойчивого взаимодействия абразивных сегментов со шлифуемой поверхностью заготовки амплитуду возвратно-поступательных движений круга необходимо устанавливать из условия нахождения центров масс абразивных сегментов в пределах границ шлифуемой поверхности.

Для проведения отделочной обработки устанавливают частоту вращения инструмента, при которой не происходит снятия металла с заготовки, а осуществляется только его пластическое деформирование. Совмещение процесса пластического деформирования поверхностных слоев металла заготовки с эффективным охлаждением заготовки позволяет повысить качество поверхностных слоев обработанных деталей.

Высокие давления СОЖ в зоне обработки обеспечиваются за счет совместного действия нескольких взаимозависящих составляющих суммарного давления.

1. Первая составляющая давления СОЖ в зоне обработки создается за счет разгона жидкости во внутренней полости корпуса сборного круга.

2. Вторая составляющая обеспечивается разгоном СОЖ в каналах корпуса круга.

3. Третья составляющая обеспечивается разгоном находящейся в емкости СОЖ наружными выступающими спрофилированными элементами корпуса круга и абразивных сегментов.

4. Четвертая составляющая обеспечивается заклиниванием СОЖ между абразивными сегментами и шлифуемой поверхностью заготовки.

5. Пятая составляющая создается центробежными силами, возникающими при вращении образованного в емкости жидкостного кольца на скоростях, примерно равных скоростям резания при шлифовании.

Основными существенными отличиями предлагаемого способа внутреннего шлифования являются:
1. Образование полнопрофильного жидкостного кольца, имеющего одинаковую форму и размеры в радиальных сечениях по всей окружности заготовки.

2. Существенное повышение интенсивности теплоотвода из зоны обработки за счет осуществления процесса шлифования в проточной емкости с СОЖ, полного омывания жидкостью всей заготовки и перемещения жидкости относительно заготовки со скоростями, примерно равными скоростям резания при шлифовании (30-50 м/с).

3. Возможность повышения производительности шлифования путем использования более высоких режимов обработки. В существующих способах основным фактором, препятствующим увеличению режимов шлифования, является качество обработанных деталей, в первую очередь определяемое тепловыми процессами, происходящими в зоне обработки при шлифовании.

4. Увеличение глубины проникновения СОЖ в зону непосредственного контакта абразивных зерен и металла заготовки из-за высокого давления (до 1,2 МПа) СОЖ в зоне обработки, создаваемого суммарным действием пяти вышеуказанных факторов.

5. Увеличение диспергирующих (расклинивающих) свойств СОЖ за счет повышения ее давления в зоне обработки.

6. Формирование при шлифовальных режимах обработки сетки скрещивающихся (как при хонинговании) рисок на обработанной поверхности.

7. Существенное снижение вибраций при шлифовании, достигаемое в результате демпфирования вибраций смазочно-охлаждающей жидкостью и применения инструмента, опирающегося в процессе шлифования на обрабатываемую поверхность заготовки.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при шлифовании вращающихся или неподвижно закрепленных заготовок с охлаждением. Перед шлифованием правят круг, выдвинув его сегменты на максимальный диаметр, превышающий диаметр обрабатываемой поверхности заготовки. Вводят невращающийся круг в емкость с расположенной в ней кольцевой заготовкой. Закрывают крышку емкости и включают подачу СОЖ. Сообщают кругу возвратно-поступательные движения и вращение и, при возможности, вращение заготовке. Производят черновую, получистовую, чистовую и отделочную обработку заготовки, ступенчато уменьшая частоту вращение круга. Затем выключают вращение круга и прочие движения формообразования. Выключают подачу СОЖ, открывают емкость, отводят круг, извлекают готовую деталь и промывают емкость для удаления из нее отходов обработки. При этом используют проточную емкость с оcевыми отверстиями в ее торцах для подвода и слива СОЖ вдоль оси вращения заготовки. Подвод СОЖ к зоне обработки осуществляют от неподвижно закрепленного трубопровода через осевое отверстие в торце емкости, через внутреннюю полость сборного абразивного инструмента и через каналы между режущими сегментами круга. Такие действия позволяют повысить качество деталей и производительность процесса внутреннего шлифования за счет существенного повышения давления и скорости течения СОЖ на обрабатываемой поверхности и в зоне резания. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ внутреннего шлифования заготовок, включающий расположение кольцевой заготовки в емкости, ввод в отверстие заготовки сборного абразивного круга с внутренней полостью и радиально подвижными в его корпусе сегментами, подвод смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки, сообщение кругу вращения и обработку заготовки с изменением частоты вращения круга, отличающийся тем, что используют проточную емкость с осевыми отверстиями в ее торцах для подвода и слива СОЖ вдоль оси заготовки и с крышкой для ввода и отвода сборного абразивного круга, имеющего каналы между смежными сегментами, спрофилированные из условия обеспечения наибольшей площади поверхностей корпуса и сегментов, набегающих на СОЖ, осуществляют правку круга с максимально выдвинутыми сегментами и сообщают сборному кругу возвратно-поступательные движения относительно вращающейся или неподвижно закрепленной заготовки, а подвод СОЖ к зоне обработки производят путем ее последовательного перемещения от неподвижно закрепленного трубопровода через осевое отверстие в торце емкости и внутреннюю полость и каналы сборного круга, при этом цикл шлифования осуществляют в следующей последовательности: правят круг, вводят невращающийся круг в емкость с кольцевой заготовкой, закрывают крышку емкости, включают подачу СОЖ, сообщают кругу возвратно-поступательные движения и вращение, производят черновую, получистовую, чистовую и отделочную обработку заготовки со ступенчатым уменьшением частоты вращения круга, выключают его вращение и все упомянутые движения круга и заготовки, выключают подачу СОЖ, снимают крышку, отводят круг, извлекают готовую деталь и промывают емкость. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объем протекающей через емкость СОЖ устанавливают из условия обеспечения максимального и постоянного объема вращающейся в емкости СОЖ с учетом компенсации ее утечек через осевое сливное отверстие. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что амплитуду возвратно-поступательных движений сборного круга устанавливают из условия нахождения центров масс его сегментов в пределах границ шлифуемой поверхности. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют емкость с минимальными параметрами, выбранными из условия осуществления кругом возвратно-поступательных движений и размещения образуемого при шлифовании шлама. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделочную обработку производят на режимах, обеспечивающих пластическое деформирование поверхностных слоев заготовки без съема металла.