УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРАЦИОННОГО ХОНИНГОВАНИЯ С ГИДРОУДАРОМ Российский патент 2002 года по МПК B24B33/02 

Изобретение относится к резанию труднообрабатываемых металлов, а именно к устройствам для хонингования и может быть использовано при хонинговании цилиндрических отверстий.

Известно устройство для вибрационного хонингования, которое содержит вибратор, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом инструмента и выполненный в виде упорного подшипника с сепаратором, рабочая поверхность одной из разъемных частей которого выполнена кулачковой [1].

Недостатком известного устройства является ненадежность конструкции, выраженная в том, что при определенных сочетаниях режимов и сил резания, размеров профиля кулачковой части, жесткости поджимающих пружин и т. п. шарики упорного подшипника будут проскальзывать по гладкому кольцу вместе с сепаратором, не возбуждая вибраций. При этом устройство не позволяет плавно регулировать величину амплитуды и частоту колебаний.

Известно устройство для вибрационного хонингования, содержащее вибратор, устанавливаемый с возможностью взаимодействия с корпусом инструмента и выполненный в виде упорного подшипника с сепаратором, рабочая поверхность одной из разъемных частей которого изготовлена кулачковой, при этом упомянутая разъемная часть выполнена в виде втулки и неподвижно установлена на корпусе инструмента, а сепаратор размещен на корпусе с возможностью вращения [2].

Недостатком известного устройства является возможность отказа в работе и ненадежность конструкции, выраженные в том, что при определенных сочетаниях размеров профиля волнистого торца втулки вибратора, жесткости пружины, поджимающей эту втулку, значительных сил резания и др. находящиеся во впадине шарики не преодолеют выступы и будут проскальзывать по гладкому кольцу подшипника вибратора вместе с упомянутой втулкой, не подвергая вибрациям инструмент. Кроме того, устройство не позволяет плавно регулировать амплитуду и частоту колебаний, что чрезвычайно важно при выборе оптимальной величины последней для данных конкретных условий обработки.

Задача изобретения - улучшение качества, повышение точности, производительности и интенсификации абразивной обработки отверстий хонингованием путем использования хонинговальной головки с наклонной относительно продольной оси рабочей поверхности брусков, что обеспечивает улучшение отвода стружки и подачи смазывающе-охлаждающей технологической смеси (СОТС), а также наложения на возвратно-поступательное движение дополнительного осциллирующего движения с плавным регулированием частоты и амплитуды колебаний.

Поставленная задача решается предлагаемым устройством для вибрационного хонингования, содержащим привод возвратно-поступательного движения хонинговальной головки, отличающимся тем, что оно снабжено гидроударником с расположенным в его корпусе на штоке подпружиненным концентратором, предназначенным для впрыскивания рабочей жидкости под импульсным давлением с помощью удара в гидроцилиндры привода возвратно-поступательного движения хонинговальной головки, имеющей шток с пальцами, связанный с приводом радиального перемещения ее абразивных хонинговальных колец.

На фиг. 1 представлена схема гидропривода возвратно-поступательного движения шпинделя хонинговального станка (мод. 3К82 и 3К83); на фиг.2 - принципиальная схема гидроударника; на фиг.3 - развертка траекторий движения режущих зерен хонинговальных колец при хонинговании с осцилляцией.

На фиг.1 обозначены: V_вр - скорость вращения хонголовки; V_в-п - скорость возвратно-поступательного движения хонголовки; ρ - радиальная подача абразивных хонинговальных колец.

Для обработки предлагаемым устройством используют хонинговальную головку с хонинговальными кольцами [3, 4] как более производительную, но можно использовать и традиционную с хонинговальными брусками.

Устройство для вибрационного хонингования с гидроударом поясним применительно к серийным станкам мод. 3К82 и 3К83 [5].

На этих станках гидроцилиндры 1 возвратно-поступательного движения имеют двухштоковую схему с вхождением одного штока внутрь другого, которая позволила уменьшить их габаритные размеры. Гидроцилиндры 1 установлены в расточках корпуса 2, с которым они прочно соединены. Полый шток 3 выполнен заодно с поршнем 4, при этом верхний конец штока 3 соединен с поперечиной 5 шпинделя-пиноли 6. При движении вверх во внутреннюю полость штока 3 подводится масло через пустотелый шток 7, а при движении вниз масло подается в штоковую полость гидроцилиндров. Нештоковая полость гидроцилиндров соединена с атмосферой. Площади штоков и поршня подобраны так, чтобы получить одинаковые скорости движения шпинделя в обе стороны. Механизм радиальной подачи ρ, который служит для создания необходимого давления на хонинговальные кольца 8 с помощью штока 9 через палец 10, на фиг.1 условно не показан.

Для интенсификации процесса резания и улучшения качества поверхности обработки используется наложение на возвратно-поступательное движение дополнительного осциллирующего движения с амплитудой осцилляции до 30-60 мм и до 500-800 кол/мин. Это наложение осуществляется с помощью гидроудара, создаваемого концентратором, расположенным на штоке и подпружиненным в корпусе гидроударника 11, впрыскивающего под импульсным давлением рабочую жидкость в цилиндры 1 гидропривода возвратно-поступательного движения [6].

Гидроударник 11 со штоком 12 образуют камеру А обратного хода, которая соединена с напорной магистралью, а также тормозную камеру G (фиг.2). Поршень 13 отделяет камеру В, заполненную газом, от гидравлической камеры, сообщающейся с напорной магистралью. Плунжер 14, имеющий проточку F, образует с корпусом камеру С рабочего хода, сообщающуюся последовательно с напорной и сливной магистралями посредством золотника 15, перемещаемого плунжерами 16 и 17, образующими с корпусом камеры управления D и возврата Е.

В исходном положении рабочая жидкость поступает из напорной магистрали через проточку F на плунжере 14 в камеру управления D, золотник 15 переключается, так как площадь плунжера управления 16 больше площади плунжера возврата 17, и камера С рабочего хода сообщается со сливной магистралью. Камера А соединена с напорной магистралью, но обратный ход штока не происходит, так как кольцевой выступ на штоке остается в тормозной камере G.

Пружины 18 перемещают концентратор 19 со штоком 12 вверх (согласно фиг. 2), который выходит из тормозной камеры G. Дальнейший обратный ход штока будет осуществляться под действием жидкости, поступающей в камеру А.

В период переключения золотника и обратного хода штока происходит накопление жидкости в гидропневмоаккумуляторе напорной магистрали. При завершении обратного хода штока проточка F на плунжере 14 соединит камеру управления D со сливной магистралью, и золотник 15 переключится под действием плунжера возврата 17 и сообщит камеру рабочего хода с напорной магистралью. Плунжер 14 и шток 12 под действием жидкости, поступающей в камеру С рабочего хода, ускоренно перемещаются в сторону концентратора 19. 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 равным 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 12 завершается ударом концентратора 28 по маслу, находящемуся под ним.

При соударении концентратора с маслом проточка сообщает камеру управления D с напорной магистралью, золотник 15 перемещается и соединяет камеру С рабочего хода со сливной магистралью. Одновременно с переключением золотника шток 12 завершает по инерции ход совместно с концентратором 19. В период совместного движения штока и концентратора кинетическая энергия, накопленная штоком, передается через концентратор рабочей жидкости, находящейся в зоне камеры 20, в виде импульса силы, которая дополнительно впрыскивается в гидроцилиндры 1 привода возвратно-поступательного движения.

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 19, находясь в камере 20, постоянно стремится занять верхнее положение (согласно фиг.2) под действием пружин 18, которые закреплены на осях 21.

Камера 20 через резиновые прокладки 22 жестко соединена с корпусом 11 гидроударника.

Обработку предлагаемым устройством осуществляют следующим образом. При включении станка хонинговальная головка, закрепленная на шпинделе, вводится в отверстие обрабатываемой заготовки и начинает вращаться. От привода гидравлики включается поворот абразивных хонинговальных колец 8, и под действием цилиндрического штока 9 и пальца 10 кольца перемещаются в радиальном направлении, поворачиваясь в сторону уменьшения угла α, относительно оси, перпендикулярной продольной оси хонголовки [3, 4].

При работе хонголовки любой конструкции без осцилляции основную работу резания выполняют зерна, расположенные на передней кромке бруска, а последующие зерна, расположенные вдоль траектории, перемещаются вдоль уже имеющихся царапин и поэтому участвуют в резании в меньшей степени.

На возвратно-поступательное движение хонголовки накладывается дополнительное осциллирующее движение, осуществляемое с помощью гидроудара, создаваемого концентратором, расположенным на штоке и подпружиненным в корпусе гидроударника, впрыскивающего под импульсным давлением рабочую жидкость в гидропривод возвратно-поступательного движения.

При хонинговании с осцилляцией каждое зерно имеет свою траекторию движения, благодаря чему лучше используется режущая способность брусков, получается более мелкая стружка и возрастает производительность хонингования.

Как видно по фиг.3, где показана развертка траекторий движения режущих зерен при перемещении хонинговального кольца без осцилляции (пунктирные линии), только зерна а₁, b₁, с₁ ... выполняют основную работу резания, а последующие зерна а₂, а₃, ..., b₂, b₃, ..., с₂, с₃, ..., расположенные вдоль траекторий, перемещаются вдоль уже имеющихся царапин и поэтому не участвуют в резании или участвуют в меньшей степени. На фиг.3 видно, что при хонинговании с осцилляцией каждое зерно имеет свою траекторию движения, благодаря чему существенно улучшается качество обработанной поверхности и повышается в несколько раз производительность хонингования. Вибрация в этих направлениях в сочетании с главными движениями, присущими традиционному хонингованию, создают перекрестное движение абразивных зерен и периодически изменяют скорость резания и силу трения, которые существенно облегчают съем материала и стружкообразование, улучшают самозатачивание зерен, а переменные силы активно перераспределяются в плоскости резания, вследствие чего полностью подавляются автоколебания и сила трения уменьшается до 4 раз. При этом уменьшается расход энергии на резание.

Проводилась обработка отверстия гильзы цилиндра 130-1002021 предлагаемым устройством на вертикально-хонинговальном станке мод. 3К83, оснащенным хонинговальной головкой с брусками в виде алмазных хонинговальных колец АС6 80/63 50М1 (ГОСТ 25594-83) - 5 шт; панелью с электроконтактным датчиком - СП-231; автокалибром 8М-17729-02 и разработанной конструкцией гидроударника. Материал обрабатываемой заготовки-отливки гильзы цилиндра - специальный чугун, имеющий химический состав (в %): С - 3,2...3,4; Si - 2,0...2,3; Mn - 0,5. . . 0,8; Сr - 0,25...0,40; Ni - 0,10...0,25; Р≤0,20; S≤0,15; Fe - остальное. Механические свойства чугуна: 170...241 НВ; σ_в≥206 H/мм²; σ_из = 432 H/мм². Диаметр обрабатываемого отверстия ⊘100,56-100,50 мм; шероховатость - R_a=0,32 мкм. Максимальный первоначальный угол α наклона абразивных хонинговальных колец при толщине абразивного слоя, нанесенного на кольце Н=8 мм, составлял α_max = 30^°30′.
После сборки хонинговальной головки для точного расположения кольца прирабатывались притирочной пастой на хонинговальном станке по отверстию хонингуемой (бракованной) гильзы при равенстве окружной скорости V_вp и скорости продольного хода V_в-п. Притирочной пастой являлся абразивный порошок из зеленого карбида кремния зернистостью 5, смешанный с тавотом в пропорции 1: 2. Пасту наносили кисточкой на алмазные кольца. Приработка алмазных колец производилась до тех пор, пока площадь контакта не достигла 90%. Продолжительность притирки колец составила 14,5 мин. Режимы хонингования: V_вр=19 м/мин; V_в-п=37,7 м/мин. В начале операции (первые 5 с) обработка проводилась при минимальном радиальном давлении - 0,4 МПа с последующим переключением на повышенное давление - 1,4 МПа. С помощью разработанного гидроударника производилось наложение на возвратно-поступательное движение хонголовки дополнительного осциллирующего движения с амплитудой до 30...60 мм и частотой от 50 до 500 кол/мин.

Предлагаемый способ вибрационного хонингования с гидроударом повысил производительность в 1,5-2 раза, позволил исключить операцию получистового хонингования благодаря улучшению шероховатости поверхности на 1-2 класса. При этом расход абразивного инструмента снизился на 20%.

Вибрации в сочетании с вращательным и возвратно-поступательным движениями хонинговальной головки создают перекрестное движение абразивных зерен и периодически изменяют резание и силу трения.

Благодаря этому облегчается съем материала и стружкообразование, улучшается самозатачивание зерен, а переменные силы активно перераспределяются в плоскости резания и сила трения уменьшается в несколько раз.

Перекрестное вибрационное движение увеличивает число активно работающих абразивных зерен и интенсифицирует срезание выступов неровностей поверхности. При этом на обработанной поверхности формируется износостойкий регулярный микрорельеф с перекрестным направлением рисок и неровностями малой и однородной высоты.

Предлагаемое устройство для вибрационного хонингования с гидроударом позволяет повысить режимы и производительность обработки в несколько раз без ухудшения качества обработанной поверхности. Кроме того, в таких условиях стойкость инструмента возрастает в два и более раз по сравнению со стойкостью при традиционной абразивной обработке без наложения колебаний, облегчаются съем материала и стружкообразование, уменьшается расход энергии на резание и трение.

Таким образом, предлагаемое устройство для вибрационного хонингования повышает качество и производительность при обработке отверстий, снижает энергозатраты на единицу съема металла, обеспечивает улучшение отвода стружки и подачу смазывающе-охлаждающей технологической смеси (СОТС).

Источники информации
1. А.с. СССР 356108, кл. В 24 В 33/00, 23.10.1972.

2. А.с. СССР 1530418, кл. В 24 В 33/00, 23.12.1989 - прототип.

3. RU 2155123, кл. В 24 В 33/00, 27.08.2000. Бюл. 24.

4. RU 2155124. кл. В 24 В 33/08, 27.08.2000. Бюл. 24.

5. Сверлильные и хонинговальные станки / С.И. Куликов и др. М.: Машиностроение, 1977. С. 196-213.

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

Изобретение относится к резанию труднообрабатываемых металлов и может быть использовано при хонинговании цилиндрических отверстий. Устройство для вибрационного хонингования выполнено в виде размещенного в хонинговальной головке штока с пальцами, связанными с приводом радиального перемещения абразивных хонинговальных колец, а также гидроцилиндров возвратно-поступательного движения. Рабочая жидкость в гидроцилиндры впрыскивается под импульсным давлением, создаваемым концентратором, расположенным на штоке и подпружиненным в корпусе гидроударника. Вибрации в сочетании с вращательным и возвратно-поступательным движениями хонинговальной головки создают перекрестное движение абразивных зерен и периодически изменяют резание и силу трения. Такая конструкция позволяет повысить режимы и производительность обработки в несколько раз без ухудшения качества обработанной поверхности. 3 ил.

Устройство для вибрационного хонингования, содержащее привод возвратно-поступательного движения хонинговальной головки, отличающееся тем, что оно снабжено гидроударником с расположенным в его корпусе на штоке подпружиненным концентратором, предназначенным для впрыскивания рабочей жидкости под импульсным давлением с помощью гидроудара в гидроцилиндры привода возвратно-поступательного движения хонинговальной головки, имеющей шток с пальцами, связанный с приводом радиального перемещения ее абразивных хонинговальных колец.