СПОСОБ ПРЕРЫВИСТОЙ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 2004 года по МПК B24B1/00 B24D5/00 

Изобретение относится к использованию метода совмещенных технологий на основе электроконтактной абразивно-алмазной обработки металлов резанием и может быть использовано в производстве деталей из материалов, предрасположенных к дефектообразованию в виде прижогов и трещин, при глубинном шлифовании с нанесением активных импрегнаторов с целью совершенствования структуры поверхностного слоя.

Известен способ абразивной обработки, осуществляемый прерывистым кругом, периферийная рабочая часть которого выполнена в виде чередующихся абразивных выступов и впадин, при этом каждый выступ выполнен с зернистостью абразива, последовательно убывающей (возрастающей) в окружном направлении [1].

Однако известный способ имеет существенный недостаток, обусловленный наличием впадин и выступов, которые резко уменьшают виброустойчивость, прочность и площадь рабочей поверхности, что, в свою очередь, снижает размерную стойкость инструмента, качество и производительность обработки. Кроме того, контактирование под нагрузкой сопрягаемых деталей из материалов, из которых хотя бы один - полукристаллический, приводит к увеличенному образованию шероховатости поверхности и быстрому износу вследствие неоднородности деформации [2]. Различные структурные составляющие большинства сплавов не однородны по поверхности и имеют разную ориентировку кристаллических зерен, выходящих на поверхность. В результате на отдельных площадках фактического контакта, даже при малых нагрузках, происходит внедрение твердых составляющих и кристаллов, обращенных к поверхности “сильными” гранями, в менее твердые структурные составляющие и “слабые” грани кристаллов. Глубина внедрения усугубляется с увеличением времени эксплуатации и зависит от физико-механических свойств материалов, шероховатости поверхности и нагрузки.

Известен способ шлифования прерывистым абразивным кругом, у которого имеются центральный прерывистый режущий слой, установленный на упругом элементе, и с каждого торца жестко установленные абразивные диски [3].

Этот способ резко повышает виброустойчивость и прочность, но не позволяет полностью использовать площадь рабочей поверхности, что, в свою очередь, снижает размерную стойкость инструмента, качество и производительность обработки. Кроме того, контактирование под нагрузкой сопрягаемых деталей из материалов, из которых хотя бы один - полукристаллический, приводит к увеличенному образованию шероховатости поверхности и быстрому износу вследствие неоднородности деформации [2]. Различные структурные составляющие большинства сплавов не однородны по поверхности и имеют разную ориентировку кристаллических зерен, выходящих на поверхность. В результате на отдельных площадках фактического контакта, даже при малых нагрузках, происходит внедрение твердых составляющих и кристаллов, обращенных к поверхности “сильными” гранями, в менее твердые структурные составляющие и “слабые” грани кристаллов. Глубина внедрения усугубляется с увеличением времени эксплуатации и зависит от физико-механических свойств материалов, шероховатости поверхности и нагрузки.

Задачей изобретения является повышение производительности шлифования деталей из материалов, предрасположенных к дефектообразованию в виде прижогов и трещин, при глубинном шлифовании с нанесением активных импрегнаторов и получением обновленной оболочки с особыми свойствами, играющей роль упрочненного каркаса, что позволяет улучшить качественные и эксплуатационные свойства поверхностного слоя материалов.

Поставленная задача решается предлагаемым способом прерывистой алмазно-абразивной обработки, который включает сообщение заготовке и прерывистому кругу вращательных движений и движения подачи вдоль обрабатываемой поверхности, при этом используют прерывистый алмазно-абразивный круг с подводом электрического тока, у которого впадины выполнены длиной, равной половине выступов, и заполнены медно-графитовым импрегнатором.

Кроме того, производят черновую и чистовую обработки и выхаживание, при этом подвод электрического тока осуществляют к алмазно-абразивной части круга при чистовой обработке и выхаживании.

На фиг.1 схематично показан предлагаемый способ прерывистой электроконтактной алмазно-абразивной обработки; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1, круг не наклонен к плоскости, перпендикулярной оси вращения; на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.1, круг наклонен к плоскости, перпендикулярной оси вращения, на угол α; на фиг.4 - фрагмент стыка и износ рабочих поверхностей кромок выступов при врезании круга и заполнение его импрегнатором.

Предлагаемый способ прерывистой электроконтактной алмазно-абразивной обработки осуществляется специальным кругом 1, которому сообщают вращательные движения и движение подачи вдоль обрабатываемой поверхности.

При этом прерывистый цилиндрический абразивно-алмазный круг 1 содержит впадины 2 и выступы 3, при этом длины выступов взяты в два раза больше длин впадин, согласно рекомендациям [4].

Круг 1 с помощью дисков 4, косых шайб 5, попарно установленных с торцов круга, устанавливается на шпинделе 6 и закрепляется гайкой 7.

Впадины 2 круга 1 заполнены медно-графитовым импрегнатором 8. При алмазно-абразивной обработке в трех режимном шлифовании: черновое, чистовое шлифование и выхаживание, чистовую обработку и выхаживание ведут с подводом электрического тока к алмазно-абразивной части инструмента 3, а черновую алмазно-абразивную обработку ведут без подвода электрического тока.

Заполнение впадин медно-графитовым сплавом, играющего роль - активного импрегнатора [2], произведено также с целью безударного плавного входа и выхода режущих кромок выступов из зоны резания и повышения виброустойчивости, качества и изменения свойств обрабатываемой поверхности. По мере износа круга производится самооформление профиля, т.е. на выступах рабочих поверхностей образуются заборные участки, которые заполняются импрегнатором (фиг.4).

С помощью предлагаемого способа и прерывистого шлифовального круга для его реализации появляется возможность управлять температурой в зоне контакта. В зависимости от требуемых условий обработки возможно варьирование числом впадин и выступов. На круге сделан ряд чередующихся выступов и впадин, при котором период работы одного режущего выступа будет меньше периода времени теплового насыщения. При этих условиях шлифования температура в зоне контакта из-за прерывистости процесса резания будет уменьшаться. С этой же целью предусмотрена трансформация круга из прерывистого с обычным традиционным креплением (фиг.2) в прерывистый с аксиально-смещенным режущим слоем (фиг.3), т.е. закрепленным под углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения. Такая переналадка осуществляется с помощью косых шайб 5 и позволяет увеличить ширину шлифования с В до В_о за один проход круга и плавно регулировать амплитуду А_о осцилляции.

На практике, как бы не шлифовали поверхности, контактирование под нагрузкой деталей при эксплуатации, из которых хотя бы одно - полукристаллическое, приводит к увеличенному образованию шероховатости поверхности и быстрому износу вследствие неоднородности деформации [2]. Различные структурные составляющие большинства сплавов не однородны по поверхности и имеют разную ориентировку кристаллических зерен, выходящих на поверхность. В результате на отдельных площадках фактического контакта, даже при малых нагрузках, происходит внедрение твердых составляющих и кристаллов, обращенных к поверхности “сильными” гранями, в менее твердые структурные составляющие и “слабые” грани кристаллов. Глубина внедрения усугубляется с увеличением времени эксплуатации и зависит от физико-механических свойств материалов, шероховатости поверхности и нагрузки.

С целью улучшения качественных и эксплуатационных свойств поверхностного слоя материала в предлагаемом способе и конструкции круга применен метод абразивно-алмазного электроконтактного избирательного шлифования с подводом напряжения к инструменту через прерывистый токосъемник 9 в зону резания, обеспечивающего контакт только выступов 3 абразивно-алмазного круга 1 с обрабатываемым материалом. При этом деталь 10 изолирована от станка и к ней подведено напряжение. По знаку потенциалы внешнего источника совпадают с поверхностными потенциалами импрегнатора и обрабатываемого материала.

В системе абразивно-алмазное зерно - связка - импрегнатор - СОТС (смазочно-охлаждающие технологические средства) - обрабатываемая деталь касающиеся шлифуемой поверхности зерна, связка и импрегнатор испытывают упругую деформацию, вследствие чего площадь контакта с обрабатываемым материалом увеличивается. При отсутствии импрегнатора поверхности зерен круга и обрабатываемой детали контактируют на очень малой площади, составляющей 0,01...0,0001 номинальной площади сопряженной поверхности. От режущих зерен и импрегнатора, у которого коэффициент температуропроводности выше, чем у обрабатываемого материала, в деталь поступает небольшая доля тепла. Кроме того, дополнительное внезонное охлаждение и очистка (не показаны) импрегнированного шлифовального круга снижают температуру рабочей поверхности круга, тем самым уменьшая температуру в зоне контакта с импрегнатором и с обрабатываемым материалом. Остальное тепло, поступающее в результате поверхностного трения скользящих зерен, связки, импрегнатора и стружки, приводит к непроизвольному разогреву металла. Таким образом, работающий импрегнированный круг можно представить как сплошной источник тепла со всеми особенностями, характерными для подвижного контакта.

При обработке материалов импрегнированными кругами, которая отличается от обработки традиционным инструментом тем, что тепло от тока выделяется избирательно в зоне резания и именно в тех местах, где дефектность (или плотность дислокации) выше, чем в среднем по объему, крупные карбиды растворяются в связи с образованием микроучастков высоких температур. Это объясняется тем, что локальная температура у какой-либо точки может быть в тысячи раз больше, чем на соседнем микроучастке, но это, как раз, приводит к тому, что среда нормализуется, а большие карбиды замещаются меньшими и притом “знающими свое место”. Благодаря такой короткой обработке мелкие карбиды соединяются с металлической решеткой по правилам той самой последовательности когерентной связи, которая не разрушает структуру, а, напротив, заставляет ее упрочняться: карбиды “вплетаются” в решетку.

Проведены сравнительные испытания по обработке шлифованием известным способом сплошным кругов и предлагаемым способом прерывистой электроконтактной алмазно-абразивной обработки прерывистым шлифовальным кругом с импрегнатором. На внутришлифовальном станке мод. ЗК228В шлифовалась гильза с сквозным отверстием диаметром 125 H7^(+0,04) мм и длиной 192 мм. Параметр шероховатости обработанной поверхности R_a=0,63 мкм. Припуск на сторону - 0,25 мм. Материал заготовки - сталь 40Х. Станок оснащен устройством для активного контроля обрабатываемых заготовок и прерывистым шлифовальным кругом с впадинами, заполненными медно-графитовым импрегнатором, а также прерывистым токосъемником для подвода постоянного тока напряжением 12 В в момент, когда выступ находится в контакте с деталью, по предлагаемому техническому решению.

Маркировка полной характеристики круга - 24А 25П С2 5К8А 35 м/с. Диаметр круга 100 мм; высота (ширина) - 32 мм. Режимы резания: частота вращения круга при принятой окружной скорости 35 м/с - n_к=6000 мин^-1; скорость движения заготовки - 62,8 м/мин; поперечная подача круга - 0,008 мм/дв.ход; продольная минутная подача - 5390 мм/мин. Охлаждающая жидкость - эмульсия.

Обработка проводилась по предлагаемому способу в режиме прерывистого шлифования в течении 2,2 мин, а затем переходили на режим чистового шлифования и включали электрический ток. Шлифование заканчивали в режиме выхаживания с подводом электрического тока.

Заданный параметр шероховатости R_a=0,63 мкм и размер отверстия гильзы с необходимой точностью были достигнуты через 3,1 мин, что в два раза быстрее, чем при обычном способе шлифования.

При этом были отмечены благоприятные условия резания, виброустойчивость, минимальный нагрев заготовки. Хотя обработка проводилась при повышенной производительности съема металла, появления прижогов и микротрещин на обработанной поверхности зафиксировано не было.

В результате применения активных импрегнаторов при обработке поверхность металла получила обновленную оболочку с особыми свойствами. На поверхности образовался поверхностный слой, который играет роль упрочняющего каркаса, что улучшает качественные и эксплуатационные свойства поверхностного слоя обработанной детали.

Источники информации

1. А.с. СССР 1388269, МКИ B 24 D 5/14. Абразивный прерывистый круг / И.М. Баюкли. Заявка № 3916411/31-08, заявл. 26.06.85, опубл. 15.04.88, Бюл. № 14.

2. Чирков Г.В. Расчет теплового баланса при алмазном шлифовании с нанесением активных импрегнаторов. - Техника машиностроения. 2000 г. № 3 (25), С. 76-79.

3. А.с. СССР 529068, МКИ В 24 D 5/06. Прерывистый абразивный круг / С.Н. Игнатов и др. - Заявка № 2031099/08, заявл. 06.06.74, опубл. 25.09.1976 - прототип.

4. Якимов А.В. Оптимизация процесса шлифования. - М.: Машиностроение, 1975 - С. 45-58.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при электромеханической обработке материалов связанным абразивом. Заготовке и прерывистому кругу сообщают вращательные движения и движение подачи вдоль обрабатываемой поверхности. Прерывистый круг имеет периферийную рабочую поверхность в виде чередующихся алмазно-абразивных выступов и впадин. В нем предусмотрен подвод электрического тока. Каждая впадина по протяженности выполнена не более половины протяженности выступа и заполнена медно-графитовым импрегнатором. Такие действия обеспечивают благоприятные условия резания, виброустойчивость, минимальный нагрев заготовки и повышают производительность съема металла с улучшением качества обрабатываемой поверхности и с получением на ней обновленной оболочки с особыми свойствами. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ прерывистой алмазно-абразивной обработки, включающий сообщение заготовке и прерывистому кругу вращательных движений и движения подачи вдоль обрабатываемой поверхности, отличающийся тем, что используют прерывистый алмазно-абразивный круг с подводом электрического тока, у которого впадины выполнены длиной, равной половине длины выступов, и заполнены медно-графитовым импрегнатором.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят черновую и чистовую обработки и выхаживание, при этом подвод электрического тока осуществляют к алмазно-абразивной части круга при чистовой обработке и выхаживании.