СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ШЛИФОВАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B24B1/00 B24D5/14 

Изобретение относится к технологии машиностроения, к обработке металлов резанием, может быть использовано при глубинном периферийном шлифовании материалов, предрасположенных к дефектообразованию в виде прижогов и микротрещин, и предназначено для осуществления шлифования деталей с регулированием теплового потока, направленного в деталь.

Известен способ комбинированной финишной обработки, при котором заготовкe и инструменту сообщают вращательные движения, а инструмент перемещают вдоль образующей обрабатываемой заготовки, при этом инструмент выполнен в виде устройства для комбинированного шлифования, включающего сборный абразивный круг, выполненный в виде жестко закрепленных на корпусе элементов с крупнозернистым абразивным слоем и элементов с мелкозернистым абразивным слоем, связанных с механизмом их радиального перемещения [1].

Недостатками известного способа являются ударные воздействия абразивных элементов на обрабатываемую поверхность заготовки, которые не обеспечивают плавности процесса, уменьшают виброустойчивость, обусловленную наличием впадин, снижают прочность инструмента, качество и производительность обработки.

Известен способ комбинированной финишной обработки, при котором заготовке и устройству для комбинированного шлифования сообщают вращательные движения, а устройство перемещают вдоль образующей обрабатываемой заготовки, при этом осуществляют черновую и чистовую обработку заготовки устройством для комбинированного шлифования, включающим в себя сборный абразивный круг, путем изменения зернистости его рабочей периферийной прерывистой режущей поверхности, выполненной в виде жестко закрепленных на корпусе элементов с крупнозернистым абразивным слоем - служащих для черновой обработки, и элементов с мелкозернистым абразивным слоем - для чистового шлифования, связанных с механизмом их радиального перемещения, последний установлен между корпусом и абразивонесущими элементами и выполнен в виде эластичного баллона с источником регулируемого давления, при этом устройство снабжено упругими прокладками, расположенными между баллоном и элементами с крупнозернистым абразивным слоем [2].

Недостатками известного способа являются ударные воздействия прерывистых абразивных элементов на обрабатываемую поверхность заготовки, которые не обеспечивают плавности процесса, уменьшают виброустойчивость, обусловленную наличием впадин, снижают прочность инструмента, качество и производительность обработки.

Задачей изобретения является повышение качества и производительности абразивной обработки за счет периодического, последовательного воздействия на обрабатываемую поверхность подвижной части инструмента с абразивным крупнозернистым аксиально-смещенным винтовым режущим слоем, работающей в режиме осциллирующего шлифования, а затем воздействием кольцеобразного рабочего подвижного мелкозернистого абразивного органа, при этом сохранив достоинства непрерывного процесса и преимущества прерывистого шлифования.

Поставленная задача решается предлагаемым способом комбинированного шлифования, включающим вращение и перемещение относительно обрабатываемой заготовки сборного шлифовального круга, выполненного в виде корпуса с периферийными абразивными слоями подвижных режущих органов, связанных с механизмами их продольного и радиального перемещений, при этом осуществляют черновую, получистовую и чистовую обработку заготовки шлифовальным кругом путем изменения прерывистости и зернистости его рабочих периферийных режущих поверхностей, причем сначала черновую обработку ведут винтовой прерывистой крупнозернистой режущей поверхностью круга, затем получистовую обработку - непрерывной крупнозернистой режущей поверхностью, которую образуют путем продольного перемещения подвижных концов кольцеобразного режущего органа, связанного с механизмом продольного перемещения, при неподвижной середине его, а при чистовой обработке - непрерывной мелкозернистой подвижной периферийной поверхностью, которую на ходу вводят в зону обработки, и образуют путем радиального перемещения мелкозернистого кольцеобразного режущего органа, связанного с механизмом радиального перемещения.

На фиг. 1 показан сборный шлифовальный круг для осуществления предлагаемого способа, работающий в режиме получистового шлифования, частичный продольный разрез; на фиг.2 - вид по А на фиг.1; на фиг.3 - вид по Б на фиг.1; на фиг.4 - частичный разрез по В-В на фиг.1; на фиг.5 - частичный разрез по Г-Г на фиг.1; на фиг.6 - частичный разрез по Д-Д на фиг.1; на фиг.7 - вид по Е на фиг.1; на фиг.8 - сборный шлифовальный круг для осуществления предлагаемого способа, работающий в режиме чернового (при D_черн>D_чист) и чистового (при D_черн<D_чист) шлифования, частичный продольный разрез; на фиг.9 - вид по Ж на фиг.8; на фиг.10 - вид по И на фиг.8; на фиг.11 - развертка следа круга на обрабатываемой поверхности заготовки, работающего в режиме получистового шлифования (работает только крупнозернистая непрерывная абразивная часть); на фиг. 12 - развертка следа круга на обрабатываемой поверхности заготовки, работающего в режиме чистового шлифования (работает только радиально подвижная мелкозернистая абразивная часть); на фиг.13 - развертка следа круга на обрабатываемой поверхности заготовки, работающего в режиме чернового шлифования (работает только крупнозернистая винтовая прерывистая абразивная часть круга); на фиг.14 - развертка следа круга на обрабатываемой поверхности заготовки, как вариант работающего в режиме однопроходного глубинного шлифования, где параллельно ведется обработка прерывистой винтообразной крупнозернистой абразивной частью, снимающей черновой припуск, и следом - чистовая обработка мелкозернистой абразивной частью, снимающей чистовой припуск.

Предлагаемый способ комбинированного шлифования осуществляется инструментом с двумя подвижными абразивными режущими органами, имеющими крупнозернистый и мелкозернистый поверхностные слои, причем подвижность обеспечивается соответственно механизмами продольного и радиального перемещений, и включает вращение и перемещение относительно обрабатываемой заготовки сборного шлифовального круга.

Сборный шлифовальный круг выполнен в виде корпуса 1 с периферийными абразивными слоями 2 и 3, которые установлены на пружинных подвижных режущих органах 4 и 5, связанных с механизмами соответственно продольного и радиального перемещений.

Черновое шлифование осуществляют периферийным абразивным слоем 2 подвижного режущего органа 4, который выполнен крупнозернистым и может аксиально смещаться. Он выполнен кольцеобразным и пружинным, его концы 6 и 7 перекрывают друг друга (фиг.3) и стягиваются пружинами растяжения 8, стремящими уменьшить его в диаметре, при этом середина органа 4 неподвижно закреплена винтами 9 на корпусе 1 (фиг.2), а концы 6 и 7 разводятся в продольном направлении, как это показано на фиг.9.

Механизм продольного перемещения концов 6 и 7 подвижного органа 4 выполнен в виде эластичного баллона 10 (фиг.1, 5) с источником регулируемого давления 11, который превращает кольцеобразный орган 4 в винтовую аксиально-смещенную поверхность (фиг.8). Помимо этого в механизм продольного перемещения входят планки 12, неподвижно закрепленные с торцов концов 6 и 7 органа 4 с помощью, например, винтов 13 и пружин сжатия 14, упирающихся в торцовую крышку 15 и в кольцо 16 и позволяющих продольно переместить и соединить концы 6 и 7 органа 4 при снятии давления в источнике 11 (фиг.3).

Черновое шлифование винтовым аксиально-смещенным режущим абразивным слоем 2 позволяет ужесточить режимы резания, не опасаясь прижогов и микротрещин, возникающих по причине высокой температуры в зоне резания.

Таким образом, повышение производительности черновой обработки производится за счет винтовой осцилляции зоны резания подвижного органа 4.

На фиг.13 сплошной линией показана развертка следа абразивной части 2 в виде винтовой линии подвижного органа 4 на обрабатываемой поверхности заготовки, работающего в режиме чернового шлифования, а пунктирной линией - не участвовавший в работе подвижный режущий орган 5.

Получистовую обработку ведут непрерывной крупнозернистой режущей поверхностью 2 режущего подвижного органа 4, которую образуют путем сближения и продольного перемещения подвижных концов 6 и 7 кольцеобразного режущего органа 4, связанного с механизмом продольного перемещения, при неподвижной середине его (фиг.1, 3). Получистовую обработку ведут на обычных режимах резания, свойственных традиционному шлифованию, добиваясь высокой точности и отклонения по форме обрабатываемой поверхности. На фиг.11 показана развертка следа крупнозернистой непрерывной абразивной части 2 в виде непрерывной зоны контакта на обрабатываемой поверхности заготовки режущего органа 4, работающего в режиме получистового шлифования, а пунктирной линией - не участвовавший в работе подвижный режущий орган 5.

Переход с режима чернового на получистовое шлифование осуществляется на ходу уменьшением давления в эластичном баллоне 10 и сближением концов 6 и 7 органа 4 за счет действия пружин 14, оказывающих давление на планки 12, которые неподвижно закреплены на торцах концов 6 и 7 органа 4, и за счет действия пружин растяжения 8, стягивающих концы и стремящихся уменьшить в диаметре орган 4. При этом подвижный режущий орган 4 из прерывистого винтообразного превращается в кольцеобразный с непрерывной абразивной поверхностью.

Чистовое шлифование осуществляют мелкозернистым периферийным абразивным слоем 3 подвижного режущего органа 5 путем его радиального перемещения (фиг. 1, 8).

Подвижный режущий орган 5 расположен на корпусе 1 и выполнен кольцеобразным и пружинным, внутренняя поверхность которого образована двумя усеченными конусами 17 и 18 с общим меньшим основанием, находящимся в плоскости симметрии 19.

Кольцеобразный режущий орган 5 внутренней конической поверхностью 17 сопрягается с конической наружной шлицевой поверхностью неподвижного кольца 16, а внутренней конической поверхностью 18 - с конической поверхностью подвижного кольца 20, имеющей на торце шлицы 21, которые входят в пазы кольца 16 (фиг. 6). Между кольцами 16 и 20 установлены пружины 22 сжатия, стремящиеся раздвинуть эти кольца.

Концы 23 и 24 кольцеобразного органа 5 перекрывают друг друга (фиг.7, 10) и стягиваются пружиной 25 растяжения, стремящейся уменьшить в диаметре кольцеобразный подвижный рабочий орган 5.

Радиальное перемещение режущего подвижного органа 5 осуществляется механизмом, установленным на корпусе 1 между подвижным кольцом 20 и торцовой крышкой 26 и выполненным в виде эластичного торообразного баллона 27 с источником регулируемого давления 11.

На фиг. 12 показана развертка следа подвижной мелкозернистой абразивной части круга на обрабатываемой поверхности заготовки, работающего в режиме чистового шлифования (фиг.8).

Как видно, при чистовом переходе повышается качество и производительность обработки за счет ввода новой режущей мелкозернистой абразивной поверхности, которая имеет радиальное перемещение и позволяет уменьшить величину шероховатости обрабатываемой поверхности и улучшить качество обработки.

Переход с режима чистового шлифования на режим черновой обработки осуществляется на ходу уменьшением давления в эластичном баллоне 27, которое влечет за собой перемещение подвижного кольца 20 в направлении торцовой крышки 26 под действием пружин 22 сжатия и уменьшения в диаметре кольцеобразного рабочего органа 5 за счет действия пружины 25 растяжения, закрепленной на концах 23 и 24 рабочего органа 5 (фиг.7), и увеличением давления в эластичном баллоне 10, которое превращает кольцеобразный орган 4 в виток винтовой прерывистой поверхности.

Способ комбинированного шлифования осуществляется следующим образом.

Черновая обработка производится при повышенных режимах крупнозернистым подвижным органом 4 с аксиально-смещенным по винтовой поверхности режущим слоем 2. В это время абразивный слой 3 органа 5 не касается обрабатываемой поверхности - эластичный баллон 10 под давлением, а давление воздуха в эластичном баллоне 27 отсутствует (фиг.13).

После снятия основного чернового припуска крупнозернистым абразивным элементом 2 органа 4 сбрасывают давление в эластичном баллоне 10.

При этом срабатывает механизм продольного перемещения сближения концов 6 и 7 органа 4, который превращается в кольцеобразный непрерывный абразивный режущий слой, и ведется получистовая обработка на обычных режимах крупнозернистым абразивом.

Переход к чистовой обработке производится на ходу путем повышения давления в эластичном баллоне 27, который воздействует на подвижное кольцо 20, причем, преодолевая сопротивление пружин 22, кольцо 20 перемещается в продольном направлении, сближается с кольцом 16 и шлицы 21 входят во впадины кольца 16, при этом упругий кольцеобразный рабочий орган 5 с мелкозернистым абразивным слоем 3 радиально перемещается.

Рабочий орган 5, увеличиваясь в диаметре и достигая диаметра D_чист, большего чем диаметр D_черн крупнозернистого абразивного слоя 2 органа 4, производит чистовую обработку только мелкозернистым абразивным слоем (фиг.12).

Возможен второй вариант последовательности переходов (фиг.14) - при глубинной однопроходной обработке одновременно крупнозернистым винтообразным абразивным слоем 2 снимают черновой припуск, а мелкозернистым абразивным слоем, идущим вслед за крупнозернистым абразивным слоем, обрабатывают окончательно.

Величиной шага винтовой крупнозернистой продольно подвижной поверхности органа 4 можно управлять в широких пределах изменением количества сжатого воздуха и давления в эластичном баллоне 10.

Величиной радиального перемещения мелкозернистой режущей поверхности подвижного рабочего органа 5 и его жесткостью можно управлять в широких пределах изменением давления в эластичном баллоне 27.

Известно [3] , чтобы снизить теплонапряженность процесса шлифования используют прерывистые круги, имеющие на периферийной режущей поверхности впадины и выступы, как, например, в аналоге и прототипе [1, 2].

В предлагаемом способе комбинированного шлифования также происходит прерывание процесса резания, например, при черновой обработке благодаря аксиально-смещенному по винтовой поверхности режущему слою продольно подвижного органа 4 для ряда поперечных сечений обрабатываемой заготовки, например сечения К-К, Л-Л и др. (см. фиг.13).

Это прерывание обеспечивается благодаря осцилляции режущего слоя 2 подвижного органа 4.

Таким образом, при черновой обработке температура в зоне шлифования сборного круга для конкретного поперечного сечения заготовки понижается, так как обработка производится с определенными интервалами и за время разрыва процесса происходит охлаждение поверхности детали.

Это особенно важно для чернового перехода, который предназначен для удаления максимальной доли оставленного припуска под шлифование.

Под тепловым насыщением понимают такое состояние поверхности, когда ее температура достигает максимума и сохраняется определенное время. При этом состоянии возможно образование дефектов, ухудшающих эксплуатационные свойства деталей.

За счет интервалов, полученных благодаря аксиально-смещенному винтовому крупнозернистому режущему слою подвижного органа и разрыва процесса, удается заметно снизить температуру в зоне резания и избежать появления дефектов шлифования.

Поэтому предлагаемый способ комбинированного шлифования позволяет ужесточить режимы резания с гарантией бесприжоговой обработки, улучшить качество и повысить производительность.

Предлагаемый способ комбинированного шлифования сборным кругом, составленным из продольно подвижного крупнозернистого абразивного диска с аксиально-смещенным винтовым режущим слоем и мелкозернистого радиально подвижного рабочего органа, позволяет совместить достоинства прерывистого шлифования с обычным традиционным - сплошными кругами.

При этом увеличивается прочность инструмента, так как отсутствуют выступы и впадины абразивного режущего слоя, виброустойчивость процесса и площадь резания, захватываемая составным кругом с осциллирующей продольно подвижной и радиально подвижной частями, качество и производительность.

Кроме того, снижается расход абразива на единицу съема металла, так как увеличивается ширина шлифования, захватываемая комбинированным шлифовальным кругом благодаря наклону винтового абразивного режущего слоя к продольной оси вращения.

Шпинделю со сборным шлифовальным кругом сообщают вращательное движение, заготовке - движения подачи вдоль и поперек обрабатываемой поверхности при обработке плоскостей или заготовку вращают и передают относительное движение подачи вдоль обрабатываемой поверхности и врезание на каждый одинарный или двойной ход стола при круглом шлифовании. Наличие угла наклона винтового абразивного режущего слоя продольно подвижного рабочего органа и зазора между режущими слоями обеспечивают открытый доступ СОЖ в зону резания.

Предлагаемый способ обеспечивает снижение величины шероховатости обрабатываемой поверхности на 1-2 класса и расширение технологических возможностей за счет осцилляции и прерывистой в продольном направлении режущей рабочей поверхности круга. При этом улучшаются условия резания, самозатачиваемости и подачи СОЖ, позволяющие повысить качество и производительность обработки.

Пример. Проводили обработку отверстия втулки на внутришлифовальном станке мод. 3К228В. Материал обрабатываемой заготовки - сталь 45 ГОСТ 1050-88, НВ 260, диаметр обрабатываемого отверстия - 130 мм, длина - 65 мм, режущий инструмент - крупнозернистый абразивный продольно-подвижный режущий орган - 24А 25П С2 5 Б3 А и мелкозернистый абразивный радиально подвижный режущий орган - 63С 40 СМ2 9 Б3 А. Режимы обработки: скорость заготовки - 40,8 м/мин (100 мин^-1), скорость вращения инструмента - 31,4 м/с, частота вращения инструмента - 6000 мин^-1, минутная продольная подача - 5390 мм/мин, поперечная подача круга при черновой обработке - 0,012 мм/дв.ход, при получистовой - 0,008 мм/дв.ход и чистовой - 0,004 мм/дв.ход.

Количество абразивных рабочих органов в сборном шлифовальном круге - 2, форма абразивных рабочих органов - аксиально-смещенная цилиндрическая D=100 мм, переходящая в винтовую, угол наклона аксиально-смещенного винтового режущего слоя к плоскости, перпендикулярной оси вращения круга α=3^o39^/. Охлаждающая жидкость - эмульсия. Обработку осуществляли за 7 проходов черновой, 7 проходов получистовой и 6 проходов чистовой обработки.

Абразивная обработка по предлагаемому способу комбинированного шлифования позволила в 2,8 раза увеличить подачу на двойной ход при черновой и в 2 раза при получистовой обработке, при котором получена качественная обработанная поверхность:
после чернового перехода шероховатость - R_a=0,8...0,63 мкм;
после получистового перехода шероховатость - R_a=0,4...0,32 мкм;
после чистового перехода шероховатость - R_a=0,2...0,16 мкм без дефектов, прижогов и микротрещин.

Затраченное на обработку время Т_о=0,52 мин по сравнению с Т_о=1,42 мин - при обработке обычными кругами позволяет судить о том, что предлагаемый способ повышает производительность в 2,5-3 раза благодаря преимуществам прерывистого шлифования при непрерывном процессе и быстрому переходу с чернового на получистовой и чистовой режимы обработки.

Использование осцилляции черновой зоны резания и прерывание последней в продольном направлении позволяет ужесточить режимы резания, снизить теплонапряженность шлифования, повысить виброустойчивость и динамическую уравновешенность.

Предлагаемый способ позволяет производить переход с чернового на получистовой и чистовой режимы обработки на ходу, без остановки процесса, что сокращает вспомогательное время и увеличивает производительность.

Предлагаемый способ комбинированного шлифования может найти применение на любых металлообрабатывающих предприятиях, занимающихся шлифованием труднообрабатываемых материалов, и позволяет последовательно на ходу вводить в работу продольно-подвижный крупнозернистый орган и радиально подвижный мелкозернистый режущий орган, из которых составлен сборный круг, повысить производительность обработки за счет оптимизации теплонапряженности процесса при обработке различных материалов и качество процесса за счет осцилляции зон резания, а также сократить вспомогательное время.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1328177, кл. B 24 D 17/00, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР 1703429, кл. B 24 D 5/06, B 24 D 17/00. Устройство для комбинированного шлифования. К. Б. Океанов и О.В. Чернов. Заявка 4461209/08, заявл. 03.05.88, опубл. 07.01.92. Бюл. 1 - прототип.

3. Якимов А.В. Оптимизация процессов шлифования. М.: Машиностроение, - 1975. С.45-58.

Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано при глубинном периферийном шлифовании материалов, предрасположенных к дефектообразованию в виде прижогов и микротрещин, с регулированием теплового потока, направленного в деталь. Используют сборный шлифовальный круг, выполненный в виде корпуса и режущих органов с периферийными абразивными слоями различной зернистости, связанных с механизмами их продольного и радиального перемещений. Осуществляют черновую, получистовую и чистовую обработку заготовки путем изменения прерывистости и зернистости рабочих периферийных режущих поверхностей круга. Черновую обработку ведут винтовой прерывистой крупнозернистой режущей поверхностью круга, получистовую обработку - непрерывной крупнозернистой режущей поверхностью, которую образуют путем продольного перемещения подвижных концов кольцеобразного режущего органа, посредством механизма продольного перемещения. Чистовую обработку ведут непрерывной мелкозернистой подвижной периферийной поверхностью, которую на ходу вводят в зону обработки путем радиального перемещения кольцеобразного режущего органа, посредством механизма радиального перемещения. Использование осцилляции зоны резания чернового режущего элемента и прерывание последнего в продольном направлении позволяет ужесточить режимы резания, снизить теплонапряженность шлифования, повысить виброустойчивость и динамическую уравновешенность. Переход с чернового на получистовой и чистовой режимы обработки на ходу, без остановки процесса, сокращает вспомогательное время и увеличивает производительность. 14 ил.

Способ комбинированного шлифования, включающий вращение и перемещение относительно обрабатываемой заготовки сборного шлифовального круга, выполненного в виде корпуса и режущих органов с периферийными абразивными рабочими поверхностями различной зернистости, отличающийся тем, что осуществляют черновую, получистовую и чистовую обработку заготовки сборным шлифовальным кругом путем изменения прерывистости и зернистости абразива рабочих периферийных поверхностей режущих органов, причем сначала ведут черновую обработку винтовой прерывистой крупнозернистой абразивной поверхностью режущего органа круга, затем - получистовую обработку его непрерывной крупнозернистой абразивной поверхностью, которую образуют путем продольного перемещения подвижных концов кольцеобразного режущего органа с крупнозернистой абразивной поверхностью посредством механизма продольного перемещения относительно его неподвижной середины, а чистовую обработку ведут непрерывной мелкозернистой абразивной поверхностью режущего органа круга, которую на ходу вводят в зону обработки путем радиального перемещения кольцеобразного режущего органа посредством механизма радиального перемещения.