СПОСОБ ПОДАЧИ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СМЕСИ В ЗОНУ ШЛИФОВАНИЯ ГИДРОУДАРОМ Российский патент 2002 года по МПК B24B55/02 

Изобретение относится к станкостроению и к обработке материалов резанием, а именно к способам подачи смазочно-охлаждающей технологической смеси (СОТС) в зону шлифования.

Известен способ подачи СОТС в зону при внутреннем шлифовании, согласно которому СОТС через полую оправку и связанные с ее полостью каналы подают со скоростью С в зону шлифования и образуют гидроклин в переменном зазоре между кожухом и кругом, при этом с целью повышения эффективности охлаждения оправку берут с винтовыми канавками на внутренней поверхности, угол подъема которых выбирают из условия
f<tgγ<π/2,
где f - коэффициент жидкостного трения слоев СОТС, прилегающих к стенке полости оправки, продольные оси каналов выполнены по кривой второй порядка, которую выбирают по формуле
ctgβ_i+ctgα_i = ωη/C_r.
где β_i - угол между касательной к криволинейной поверхности канала и касательной к окружности в i-й точке канала;
α_i - угол между касательной к окружности, пересекающей канал в i-й точке, и истинным направлением движения частицы СОТС;
ω - угловая скорость вращения оправки;
r_i - текущий радиус канала;
C_r - радиальная составляющая истинной скорости С движения СОТС в канале, берут конусообразную заглушку с основанием, диаметр которого равен диаметру полости оправки, и располагают ее в полости оправки так, что вершина ее направлена против потока СОТС, а основание расположено в одной плоскости с образующей радиальных каналов [1].

Недостатками известного способа подачи СОТС являются не эффективное использование всей высоты круга, т.к. часть его выполнена не режущей, а из быстроизнашивающегося не абразивного материала, при этом конструкция каналов в этой части является трудно выполнимой и не технологичной в изготовлении, кроме того, по мере износа круга наружный диаметр его уменьшается и эффект гидроклина в переменном зазоре между кожухом и кругом пропадает и не действует.

Известен способ подачи СОТС в зону шлифования, согласно которому СОТС через осевую полость, вращающейся со скоростью ω оправки, подают в радиальные, связанные с полостью каналы и оттуда - в зону шлифования, при этом в полость оправки дополнительно устанавливают пластинчатый шнек радиусом r с винтовой поверхностью, образованной кривой, описываемой уравнением:
ctgβ_i = ctgα_i-ωr/C_η,
где β_i - угол наклона между касательной к винтовой поверхности шнека и направлением окружной скорости СОТС в i-й точке шнека;
α_i - угол наклона между направлением окружной скорости СОТС и истинным направлением движения СОЖ в i-й точке шнека;
C_η - тангенциальная составляющая истинной скорости движения СОТС в пространстве между шнеком и осевой полостью оправки;
ω - угловая скорость вращения оправки [2].

Недостатками известного способа подачи СОТС являются не эффективное использование всей высоты круга, т.к. часть его выполнена не режущей, а из быстроизнашивающегося не абразивного материала, при этом конструкция пластинчатого шнека является трудно выполнимой и не технологичной в изготовлении, причем неподвижное его крепление во вращающейся осевой полости оправки, требующее гарантированных зазоров, ведет к большому перерасходу не по назначению СОТС.

Задачей изобретения является повышение эффективности охлаждения, снижение теплонапряженности процесса шлифования и повышение производительности и качества обработки путем использования аксиально-смещенного режущего слоя и гидроудара, способствующего более эффективному проникновению СОТС через радиальные отверстия и поры круга.

Поставленная задача решается путем применения предлагаемого способа подачи смазочно-охлаждающей технологической смеси (СОТС) в зону шлифования, включающий использование закрепленного на оправке шлифовального круга и подачу СОТС через осевую полость и связанные с ней радиальные отверстия вращающейся оправки, при этом шлифовальный круг используют с радиальными каналами, расположенными в его приторцовых частях переменной высоты, образующих центральную часть без каналов, наклоненную под острым углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения, а подачу СОТС в зону шлифования осуществляют с гидроударом через радиальные каналы шлифовального круга, причем величину угла α определяют по формуле:
α = arctg(B_кр-B_o)/D_max,
где В_кр, D_max - соответственно высота и максимальный наружный диаметр шлифовального круга;
В_о - высота центральной абразивной части круга без каналов, выбранная из условия
В_о≥0,5 В_кр
Кроме того, подачу СОТС осуществляют впрыскиванием под импульсным давлением в осевую полость оправки, ее радиальные отверстия и радиальные каналы шлифовального круга за счет гидроудара, созданного концентратором, расположенным на штоке и подпружиненного к корпусу последнего.

Предлагаемый способ подачи СОТС в зону шлифования гидроударом поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлены конструкция круга и устройство для осуществления способа, продольный разрез; на фиг.2 - общий вид устройства без кожуха; на фиг.3 - общий вид с торца по А на фиг.1; на фиг.4 - поперечный разрез по Б-Б на фиг. 1; на фиг.5 - поперечный разрез оправки по В-В на фиг.1; на фиг.6 - развертка периферийной режущей поверхности круга; на фиг.7 - принципиальная схема гидроударника.

Способ подачи смазочно-охлаждающей технологической смеси в зону шлифования с использованием гидроудара реализуется с помощью устройства, которое содержит шлифовальный круг оригинальной конструкции, закрепленный на специальной оправке, и гидроударник для сообщения СОТС гидроудара определенной частоты и силы.

Устройство для осуществления способа содержит оправку 1 с осевой полостью 2, на стенках которой выполнены радиальные отверстия 3, связывающими осевую полость 2 с кольцевыми канавками 4 на поверхности оправки 1.

Устройство содержит также надетый на оправку 1 шлифовальный круг 5 с радиальными каналами 6, которые расположены только в приторцовых частях 7 круга 5, причем эти части 7 имеют переменную высоту благодаря наклону под острым углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения, центральной абразивной части 8 без каналов 6 (см. фиг.2). Угол α определяют по формуле:
α = arctg(B_кр-B_o)/D_max,
где В_кр, D_max - соответственно высота и максимальный наружный диаметр шлифовального круга 5;
В_о - высота центральной абразивной части 8 круга 5 без каналов 6, которая может принимать значения
В_о≥0,5 В_кр
Устройство предусматривает крепление круга 5 на оправке 1, которое осуществляется гайкой 9 через картонные прокладки, а для предотвращения вытекания СОТС из осевой полости 2 служит резьбовая пробка 10 с уплотнительной прокладкой и кожух 11 (см. фиг.1).

Выработка гидроудара и импульсная подачи смазочно-охлаждающей технологической смеси в осевую полость 2 осуществляется гидроударником [3].

Гидроударник 12 со штоком 13 образуют камеру А¹ обратного хода, которая соединена с напорной магистралью, а также тормозную камеру G (фиг.7). Поршень 14 отделяет камеру В, заполненную газом, от гидравлической камеры, сообщающейся с напорной магистралью. Плунжер 15, имеющий проточку F, образует с корпусом камеру С рабочего хода, сообщающуюся последовательно с напорной и сливной магистралями посредством золотника 16, перемещаемого плунжерами 17 и 18, образующими с корпусом камеры управления D и возврата Е.

В исходном положении рабочая жидкость поступает из напорной магистрали через проточку F на плунжере 15 в камеру управления D, золотник 16 переключается, так как площадь плунжера управления 17 больше площади плунжера возврата 18, и камера С рабочего хода сообщается со сливной магистралью. Камера А¹ соединена с напорной магистралью, но обратный ход штока не происходит, так как кольцевой выступ на штоке остается в тормозной камере G.

Пружины 19 перемещают концентратор 20 со штоком 13 вверх (согласно фиг. 7), который выходит из тормозной камеры G. Дальнейший обратный ход штока будет осуществляться под действием жидкости, поступающей в камеру А¹
В период переключения золотника и обратного хода штока происходит накопление жидкости в гидропневмоаккумуляторе напорной магистрали. При завершении обратного хода штока проточка F на плунжере 15 соединит камеру управления D со сливной магистралью и золотник 16 переключится под действием плунжера возврата 18 и сообщит камеру рабочего хода с напорной магистралью. Плунжер 15 и шток 13 под действием жидкости, поступающей в камеру С рабочего хода, ускоренно перемещаются в сторону концентратора 20. В начальной стадии движения, при низкой скорости штока, часть жидкости продолжает поступать от насоса в гидропневмоаккумулятор, сжимая в нем газ. С увеличением скорости штока растет потребление рабочей жидкости и при некоторой скорости штока станет равной расходу жидкости, поступающей из напорной магистрали, в этот момент давление жидкости достигает максимального значения за рабочий цикл. При дальнейшем увеличении скорости штока величина потребления превосходит подачу жидкости в камеру из напорной магистрали. Вследствие этого давление жидкости в камере и напорной магистрали падает.

При понижении давления жидкости в напорной магистрали начинает работать гидропневмоаккумулятор - под действием газа жидкость из его камеры вытесняется в напорную магистраль. Дополнительная подача жидкости из гидропневмоаккумулятора, частично покрывает потребление жидкости на больших скоростях штока и предотвращает резкое падение давления жидкости в напорной магистрали и камере рабочего хода. Рабочий ход штока 13 завершается ударом концентратора 20 по СОТС, находящейся под ним.

При соударении концентратора с СОТС проточка сообщает камеру управления D с напорной магистралью, золотник 16 перемещается и соединяет камеру С рабочего хода со сливной магистралью. Одновременно с переключением золотника шток 13 завершает по инерции ход совместно с концентратором 20. В период совместного движения штока и концентратора кинетическая энергия, накопленная штоком, передается через концентратор рабочей жидкости, находящейся в зоне камеры 21, в виде импульса силы, вызывая кавитацию в радиальных каналах 6 абразивного инструмента 5.

Концентратор со штоком перемещается с большой скоростью, и шток входит в тормозную камеру G, дросселирует через кольцевой зазор между штоком и корпусом жидкость, отсеченную в полости, обеспечивая плавное торможение штока. Гашение скорости исключает удары по корпусу, а следовательно, его деформацию и повреждения.

Концентратор 20, находясь в камере 21, постоянно стремится занять верхнее положение (согласно фиг.7) под действием пружин 19, которые закреплены на осях 22.

Камера 21 через резиновые прокладки 23 жестко соединена с корпусом 12 гидроударника.

Оправка 1 с осевой полостью 2 соединена с камерой 21 концентратора 20 посредством металло-резинового патрубка 24 (на фиг.1 и 2 не показан, см. фиг.7). Для подвода рабочей жидкости под концентратор в камеру 21 в ней размещены штуцера 25 и 26, связанные с системой подачи СОТС (не показана) гофрированными патрубками.

Способ осуществляется следующим образом.

При шлифовании вращение сообщают оправке 1 с закрепленным на ней шлифовальным кругом 5 с радиальными каналами 6. Насосная станция станка подает СОТС через патрубки 25 и 26 в корпус 21 под концентратор 20, который сообщает ей гидроудары определенной частоты и силы. СОТС с гидроударом впрыскивается через патрубок 24 в осевую полость 2 оправки 1 под импульсным давлением 0,1...0,5 МПа и выше с частотой 50...250 Гц и выше при расходе жидкости 10. . .15 л/мин. Оттуда под действием центробежной силы и гидроудара СОТС распределяется в радиальные отверстия 3 оправки 1, в пространство кольцевых канавок 4 на поверхности оправки под шлифовальный круг 5 и в радиальные каналы 6 круга, а оттуда непосредственно в зону шлифования.

Вытекая из радиальных каналов 6 СОТС под действием центробежной силы растекается по периферийной режущей части шлифовального круга 1, образуя на ней пограничный слой. Отсутствие воздуха в радиальных каналах 6 и осевых порах круга 1, выходящих на его периферийную поверхность, обеспечивает эффективное использование импульсного давления, вызывающее кавитацию СОТС и проталкивание ее в осевые поры и радиальные каналы круга при наложении ударных колебаний на СОТС концентратора.

В слое жидкости образуются кавитирующие полости, после захлопывания которых возникает импульс давления, проталкивающий жидкость в радиальные каналы 6 и осевые поры круга 1. Проталкивание жидкости к периферийному поровому пространству круга 1 по осевым порам и радиальным каналам происходит постоянно во время контакта впрыскиваемой под импульсным давлением элементарного объема СОТС, причем кавитационная область образуется и эффективно работает в рабочей зоне круга, контактирующей с заготовкой - зоне резания.

При подаче СОТС с гидроударом через радиальные каналы и осевые поры круга уменьшается температура в зоне обработки не только вследствие лучшего подвода СОТС, но и меньшего трения, что исключает появление шлифовочных трещин и прижогов на обрабатываемой поверхности.

Данный способ наиболее эффективно используют для работы кругами на керамических связках, так как в кругах на других связках осевые сквозные поры отсутствуют.

Шлифование проводят через 2. ..3 мин после подачи СОТС обязательно во вращающийся круг и прекращают подачу СОТС в него за 3 мин до выключения станка.

Предлагаемый способ имеет преимущества по сравнению с традиционными при шлифовании высоколегированных сталей и сплавов, когда лимитирующими факторами являются высокие требования к отсутствию прижогов и трещин. Использование кругов с радиальными каналами в приторцовых частях с переменной высотой и центральной абразивной частью без каналов, но наклонной под углом альфа к плоскости, перпендикулярной оси вращения, обеспечивает повышение стойкости на 40...60%, повышение производительности процесса на 30...50% без ущерба для качества обработанной поверхности, а также уменьшить износ инструмента и температуру на 30... 40%. Из-за наличия радиальных каналов, которые выполняют диметром 0,5...1,5 мм, плотность приторцовых частей ниже (например, у кругов на керамической связке твердостью СМ1 находится в пределах 1,5...2 г/см³), чем у центральной части круга (той же твердости - 2,0. . . 2,2 г/см³), в этой связи напряжения, возникающие при работе приторцовыми частями меньше.

Альтернативой радиальных каналов в приторцовых частях круга является использование высокоструктурных (10-й структуры и выше), высокопористых, крупнопористых абразивных приторцовых частей.

Приторцовые с радиальными каналами части круга, работая в режиме самозатачивания, уменьшают появление прижогов и трещин на шлифованных поверхностях деталей. Шероховатость поверхности, обработанной приторцовыми частями круга, выше, чем - центральной частью, поэтому можно считать приторцовые части, как заборные, позволяющие подавать СОТС непосредственно в зону резания. При этом приторцовые части ведут предварительную обработку, а центральная часть круга - окончательную, чистовую. Все это дает возможность шлифовать данными кругами с большими глубинами резания и подачами.

Хотя кромкостойкость приторцовых частей круга ниже по сравнению с центральной, но в сочетании с последней общая стойкость круга высокая и съем металла в единицу времени не снижается по сравнению с серийными кругами, при этом температура поверхности при шлифовании кругами с твердостью центральной части СМ1, СМ2 снижается на 200...250^oС.

Предлагаемый способ решает проблему интенсификации шлифовальных операций благодаря аксиально-смещенному режущему слою центральной части круга. Применение таких шлифовальных кругов, в отличие от стандартных, позволяет уменьшить теплонапряженность процесса и увеличить режимы резания на 15...20%. Такие круги создают нестационарный режим шлифования, сопровождающийся периодическим прерыванием контакта центральной частью круга с обрабатываемой поверхностью для данного поперечного сечения обрабатываемой детали, открывают принципиально новые возможности понижения температуры. Так как в процессе шлифования центральной наклонной к оси вращения частью круга обеспечивается уменьшение времени теплового насыщения благодаря осцилляции, то температура в зоне контакта круга и обрабатываемой поверхности не достигает своих максимальных значений, т.е. она ограничена. Следовательно, аксиально-смещенный режущий слой центральной части круга осуществляет прерывистое шлифование и позволяет управлять температурой в зоне контакта. Эффект понижения температуры значительно усилен подачей СОТС с гидроударом и кавитацией непосредственно в зону резания через каналы приторцовых частей в момент прерывания процесса резания центральной частью круга.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. А. с. СССР 1646821, МКИ В 24 В 55/02. Способ подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону при внутреннем шлифовании. Данилов Ю.С., Гаврилов Н. Д. , Симдянкин А.А. Заявка 4736349/08, заяв. 20.06.89, опуб. 07.05.91. Бюл. 17.

2. А. с. СССР 1673418, МКИ В 24 В 55/02. Способ подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону шлифования. Данилов Ю.С., Гаврилов Н.Д., Симдянкин А. А. Заявка 4737513/08, заяв. 15.09.89, опуб. 30.08.91. Бюл. 32 - прототип.

3. Ушаков Л.С., Котылев Ю.Е., Кравченко В.А. Гидравлические машины ударного действия. - М.: Машиностроение, 2000. С. 128-130.

Изобретение относится к станкостроению и к обработке материалов резанием и может быть использовано при подаче смазочно-охлаждающей технологической смеси (СОТС) в зону шлифования. СОТС подают через осевую полость вращающейся оправки в радиальные, связанные с полостью, отверстия и в зону шлифования через радиальные каналы, которые расположены только в приторцовых частях круга. Эти части имеют переменную высоту благодаря наклону под острым углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения, центральной части без каналов. Приведена расчетная формула для определения величины α в зависимости от высоты максимального наружного диаметра шлифовального круга и высоты центральной его части без каналов. СОТС подают впрыскиванием под импульсным давлением в осевую полость и отверстия оправки и каналы круга с помощью гидроудара, создаваемого концентратором, расположенным на штоке гидроударника. Такие действия обеспечивают повышение стойкости абразивного инструмента и производительности процесса, а также уменьшают износ инструмента и температуру. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ подачи смазочно-охлаждающей технологической смеси (СОТС) в зону шлифования, включающий использование закрепленного на оправке шлифовального круга и подачу СОТС через осевую полость и связанные с ней радиальные отверстия вращающейся оправки, отличающийся тем, что шлифовальный круг используют с радиальными каналами, расположенными в его приторцевых частях переменной высоты, образующих центральную часть без каналов, наклоненную под острым углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения, а подачу СОТС в зону шлифования осуществляют с гидроударом через радиальные каналы шлифовального круга, при этом величину угла α определяют по формуле
α = argtg(B_кр-B_o)/D_max,
где В_кр, D_max - соответственно высота и максимальный наружный диаметр шлифовального круга;
В_o - высота центральной абразивной части круга без каналов, выбранная из условия В_o≥0,5 В_кр. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу СОТС осуществляют впрыскиванием под импульсным давлением в осевую полость оправки, ее радиальные отверстия и радиальные каналы шлифовального круга за счет гидроудара, созданного концентратором, расположенным на штоке и подпружиненным к корпусу последнего.