СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО ИГЛОФРЕЗЕРОВАНИЯ Российский патент 2009 года по МПК B24B39/04 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для обработки иглофрезерованием с импульсным нагруженном инструмента.

Известен способ механической обработки цилиндрической щеткой, содержащей установленную на корпусе обойму с цилиндрическими гнездами, в каждом из которых размещен стакан с пучком ворса, и упругий элемент, расположенный под стаканами и контактирующий с корпусом, при этом стаканы установлены в гнездах свободно, каждое гнездо на внутренней поверхности имеет кольцевую проточку, а на наружной поверхности стакана выполнен кольцевой выступ, ширина которого меньше ширины проточки гнезда, причем упругие элементы размещены в канавках корпуса, кроме того, на упругих элементах смонтированы отражатели [1].

Известный способ обработки, реализуемый цилиндрической щеткой, имеет ограниченные технологические возможности, не позволяет производить резание неровностей значительной глубины, не позволяет управлять усилием прижатия пучков ворса к обрабатываемой поверхности, т.е. не позволяет управлять глубиной резания, что снижает производительность и качество обработки.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей иглофрезерования благодаря использованию импульсного нагружения режущего инструмента, позволяющее управлять глубиной режущего слоя, микрорельефом поверхности, а также повышение качества, точности и производительности обработки благодаря использованию многоэлементного режущего инструмента.

Поставленная задача решается предлагаемым способом импульсного иглофрезерования поверхностей тел вращения, при котором устройству, содержащему корпус с режущими элементами, волновод, боек и гидравлический генератор импульсов для выработки периодической импульсной нагрузки, сообщают продольную подачу, а обрабатываемой заготовке - вращательное движение, при этом устройство охватывает заготовку и на торце корпуса в радиальных пазах установлены режущие элементы в форме пучков ворса из V-образно изогнутых внутрь корпуса металлических проволочек так, что периферийная часть пучка лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, а отогнутая часть расположена под углом α к этой плоскости, причем пучки образуют рабочую охватывающую заготовку поверхность диаметром, равным диаметру заготовки, при этом в отверстии корпуса размещен волновод, выполненный в форме втулки, периодическая импульсная нагрузка которого направлена на дополнительное сообщение перемещения металлических проволочек пучков ворса, выпрямляя их и создавая натяг.

Сущность предлагаемого способа иглофрезерования поверхностей тел вращения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена наладка для обработки заготовки вала, установленного в трехкулачковом самоцентрирующем патроне токарного станка с поджатием задним центром, предлагаемым способом в момент перед включением рабочего хода, частичный продольный разрез; на фиг.2 - схема обработки заготовки предлагаемым способом в момент импульсного нагружения режущих элементов - пучков ворса, продольный разрез; на фиг.3 - поперечное сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - элемент Б на фиг.1, где тонкими линиями показано положение металлических иголок пучка ворса при действии импульсной нагрузки Р_ИМ.

Предлагаемый способ, реализуемый разработанным устройством, служит для иглофрезерования поверхностей тел вращения 1 с периодическим импульсным нагруженном пучков ворса 2 из V-образно изогнутых внутрь корпуса 3 металлических проволочек. Обрабатываемой заготовке 1 сообщают вращательное движение V₃, а режущим элементам 2 - продольную подачу S_ПР.

Корпус 3 является частью гидроцилиндра, который охватывает заготовку 1. Гидроцилиндр выполнен в виде двух концентрических цилиндров: наружного и внутреннего, между которыми расположены боек 4 и волновод 5, изготовленные в виде втулок.

На торце корпуса 3 в радиальных пазах установлены режущие элементы 2, выполненные в форме пучков ворса из V-образно изогнутых внутрь корпуса металлических проволочек так, что периферийная часть пучков лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, а отогнутая часть - под углом α к этой плоскости. Торцы пучков отогнутой части образуют режущую рабочую охватывающую заготовку поверхность диаметром D₃ в свободном, не нагруженном состоянии, равным диаметру заготовки. Металлические проволочки торцами периферийной частью прикреплены к пластине 2п, например, точечной сваркой. Крепление пучков ворса 2 в радиальных пазах корпуса осуществляется гайкой 6, которая консольно защемляет вместе с пластиной 2п периферийную часть пучков, располагаемую в плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства.

В гидроцилиндре размещен волновод 5, на который с одного торца воздействует боек 4, создавая периодическую импульсную нагрузку Р_им, вырабатываемую гидравлическим генератором импульсов (ГГИ) (не показан), который подключен к корпусу 3 [2-4]. Другим торцом волновод 5 воздействует на отогнутые части пучков ворса 2. Периодическая импульсная нагрузка Р_им волновода направлена на дополнительное сообщение перемещения металлических проволочек пучков ворса 2, выпрямляя их и создавая дополнительный натяг.

Угол изгиба пучков проволочек к плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, зависит от величины припуска, снимаемого иглоинструментом, и длины отогнутых металлических проволочек пучков ворса и должен быть не менее значения, определяемого по формуле:

a≥arc cos (1-t/l₀),

где t - припуск, снимаемый иглоинструментом, мм;

l₀ - длина отогнутой части металлических проволочек пучков ворса, мм.

Пучки ворса 2, образующие охватывающую рабочую режущую поверхность, расположены в пазах торца корпуса 3 радиально относительно продольной оси устройства. При износе пучки ворса правятся и настраиваются на нужный диаметр заготовки D₃ путем радиального смещения к центру и установки прокладок 7. На фиг.2, внизу, условно показан максимально изношенный пучок ворса с максимальным количеством регулировочных прокладок 7.

Корпус 3 с инструментом 2 подастся на заготовку в продольном направлении S_ПР таким образом, что заготовка проходит через центральное отверстие корпуса цилиндра. При действии на торец волновода 5 бойка 4, которые соосно установлены в корпусе 3, создается импульсная нагрузка Р_им путем удара волновода по изогнутым частям пучков ворса, выпрямляя их (см. фиг.2), и совместно с вращательным движением заготовки V₃ происходит внедрение иголок в обрабатываемую поверхность, резание и снятие стружки. Такой импульсный режим резания позволяет интенсифицировать процесс иглофрезерования.

В качестве механизма импульсного нагружения иглоинструмента применяется гидравлический генератор импульсов (не показан) [2, 3]. Заготовке сообщают вращательные движения V₃, а устройству с иглоинструментом - продольную подачу

S_ПР. Периодическую импульсную Р_ИМ нагрузку прикладывают в направлении продольной подачи к изогнутой части пучков ворса, стремясь выпрямить их и направить иглы радиально к центральной оси обрабатываемой поверхности.

Периодическую импульсную нагрузку Р_ИМ осуществляют с помощью бойка 4, воздействующего на торец волновода 5. В результате удара бойка по торцу волновода в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать на пучки ворса и на обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов. Дойдя до обрабатываемой поверхности, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы резания, которая интенсифицирует процесс.

Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструмента экспериментально.

При перемещении бойка в продольном направлении, согласно фиг.1-2, отогнутые пучки ворса воспринимают на себя периодическую импульсную нагрузку Р_ИМ волновода, благодаря которой отогнутые части пучка ворса выпрямляются и радиально приближаются к обрабатываемой поверхности, производя резание.

Общая продольная периодическая импульсная нагрузка Р_ИМ бойка по волноводу воспринимается отогнутой частью пучков ворса и равномерно распределяется на каждую иглу. Это значит, что каждый пучок ворса своими иголками оказывает режущее воздействие с импульсной нагрузкой, направленной вдоль обрабатываемой поверхности.

Периодическая импульсная нагрузка Р_им должна быть больше суммарной силы, требуемой для деформации по выпрямлению отогнутой части пучков ворса, и силы, необходимой для резания. Отвод волновода и бойка после удара в первоначальное положение (согласно фиг.1-2, вправо) осуществляется за счет упругости пучков ворса и возвращения отогнутой части в первоначальное свободное состояние.

В результате удара бойка по торцу волновода и волновода по изогнутым пучкам ворса последние воздействуют на обрабатываемую поверхность с цикличностью, задаваемой гидравлическим генератором импульсов. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами пучков.

Точность формы обрабатываемой поверхности заготовки предлагаемым устройством повышается и снижается величина шероховатости благодаря самоцентрированию и самоустановке пучков ворса на обрабатываемой поверхности при ее биениях и вибрациях.

Если припуск будет не большим (менее 1 мм), то предлагаемое устройство работает как упрочняющее, без снятия стружки, так как металлические проволочки отогнутой части пучка прогибаются в продольном направлении относительно собственной продольной оси.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, обработанного и упрочненного по предлагаемому способу, проведены экспериментальные исследования обработки вала с использованием гидравлического генератора импульсов [2, 3]. Значения технологических факторов (частоты ударов, диметр инструмента, величина подачи) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность ударного и режущего воздействия на элементарную площадку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6…10. Дальнейшее увеличение кратности деформирующего и режущего воздействия ведет к возникновению больших инерционных сил и вибраций, которые отрицательно влияют на качество обработки.

Перед началом работы новым инструментом правили рабочую поверхность проволочного ворса путем внутреннего шлифования в собранном виде. В качестве ворса применяли стальную пружинную проволоку диаметром 1,5…2,5 мм из стали 65Г.

В процессе обработки наружной поверхности вращающейся заготовки пучки проволочного ворса касаются заготовки, т.е. пока не действует ударная импульсная нагрузка Р_им, обработки нет.

При действии импульсной нагрузки Р_им на рабочие пучки ворса основное силовое воздействие на обрабатываемую поверхность осуществляют первые по ходу вращения проволочные элементы, имеющие свободную длину l₀ и прогиб под углом α. Соседние с ними проволочные элементы упруго поджимают их, несколько увеличивая сосредоточенное суммарное воздействие на обрабатываемую поверхность.

Для осуществления обработки резанием необходимо, чтобы твердость и предел прочности при растяжении материала проволочных элементов ворса были выше этих параметров материала обрабатываемой заготовки в 1,5…2 раза, соотношение l₀/i, где i - наименьший радиус инерции поперечного сечения проволочных элементов, находилось в пределах 50…100, а коэффициент К_П плотности проволочного ворса в пределах 0,7…0,9; при этом натяг должен составлять - 1,0…1,7 мм. Режимы работы инструмента можно рекомендовать следующие. Окружная скорость заготовки 0,2…0,5 м/с. Продольная подача определяется по формуле S_ПР=l₀·n (мм/мин), где n - частота вращения заготовки, мин^-1; значение l₀ (мм) зависит от натяга и диаметра инструмента и определяется опытным или расчетным путем.

Испытания устройства, работающего по предлагаемому способу, при обработке заготовки вала из горячекатаного проката из стали 20 показали, что оно срезает с обрабатываемой поверхности окалину вместе с оставленным припуском, усилие прижатия пучков ворса к обрабатываемой поверхности заготовки составляет 200…600 Н на 10 мм ширины рабочей поверхности пучков, а тангенциальная составляющая силы резания равна 150…550 Н.

Для обработки предлагаемым способом необходимо соблюдать условия

К_р=p/σ_в=1,5…2,0; где p - импульсное давление при иглофрезеровании, МПа; σ_в - предел прочности материала обрабатываемой заготовки, МПа.

Выбор соответствующего импульсного давления p зависит от физико-механических свойств материала проволочного ворса, от жесткости и плотности последнего, а также от угла наклона α.

При обработке металлов предлагаемым способом твердость обработанной поверхности повышается, в результате улучшается износостойкость обрабатываемой поверхности и качество обработки, снижается величина шероховатости обрабатываемой поверхности, а также увеличивается производительность обработки и долговечность инструмента. Величина силы импульсного нагружения инструмента составляла Р_ИМ=255…400 кН.

Производственные испытания показали, что предлагаемый способ интенсифицирует процесс обработки благодаря воздействию импульсной нагрузки на режущие рабочие элементы, улучшаются условия самозатачивания проволочных элементов ворса.

Способ и устройство расширяет технологические возможности иглофрезерования в комбинации с окончательным упрочнением, повышает качество и производительность обработки за счет сообщения пучкам ворса низкочастотных продольных колебаний, интенсифицирует процесс иглофрезерования и упрочнения за счет приложения к пучкам ворса продольной импульсной силы, а также за счет увеличения зоны контакта инструмента с заготовкой.

Преимуществом способа является возможность плавного регулирования частоты и усилия импульсной нагрузки, которая позволяет легко оптимизировать процесс обработки в производственных условиях при изменении марки обрабатываемого материала, химико-термической операции, режущих проволочных элементов инструмента, технических условий, режимов резания.

Достигаемая в процессе обработки предлагаемым способом предельная величина шероховатости составляет R_a=0,8 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 2,5…3 раза.

Микровибрации в процессе благоприятно сказываются на условиях работы инструмента устройства. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает резание и формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки.

При наложении колебаний рабочая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности импульсной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной срезаемого и упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования устройства и инструмента специальной формы с большим количеством режущих и деформирующих элементов, что позволяет увеличить производительность и снизить расходы на изготовление благодаря простоте конструкции.

Источники информации

1. А.с. СССР 824 969, МКИ³ А46В 7/10. Цилиндрическая щетка. Берков Б.В. 209273-12; 08.08.79; 30.04.81. Бюл. №16.

2. Патент РФ 2098259, МКИ⁶ В24В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. 96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. №34.

3. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации. // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.

4. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. №34.

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам обработки иглофрезерованием. Сообщают продольную подачу устройству. Сообщают вращательное движение обрабатываемой заготовке. Используют устройство, содержащее корпус с режущими элементами, волновод, боек и гидравлический генератор импульсов. Устройство охватыватывает заготовку и на торце его корпуса выполнены радиальные пазы, в которых установлены режущие элементы в виде пучков ворса из металлических проволочек, V-образно изогнутых внутрь корпуса. Пучки ворса имеют периферийную часть, расположенную в плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, и отогнутую часть, расположенную под углом к этой плоскости. Пучки ворса образуют рабочую поверхность, охватывающую заготовку, диаметром, равным диаметру заготовки. Волновод выполняют в виде втулки, которую размещают в отверстии корпуса. Создают с помощью волновода периодическую импульсную нагрузку для дополнительного сообщения перемещения металлических проволочек пучков ворса, их выпрямления и создания натяга. В результате расширяются технологические возможности, увеличивается производительность и снижаются расходы. 4 ил.

Способ импульсного иглофрезерования поверхностей тел вращения, включающий сообщение продольной подачи устройству, содержащему корпус с режущими элементами, волновод, боек и гидравлический генератор импульсов для выработки периодической импульсной нагрузки, и вращательного движения обрабатываемой заготовке, отличающийся тем, что используемое устройство охватывает заготовку и на торце его корпуса выполнены радиальные пазы, в которых установлены режущие элементы в виде пучков ворса из металлических проволочек, V-образно изогнутых внутрь корпуса, имеющих периферийную часть, расположенную в плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, и отогнутую часть, расположенную под углом к этой плоскости, причем пучки ворса образуют рабочую поверхность, охватывающую заготовку, диаметром, равным диаметру заготовки, а волновод выполняют в виде втулки, которую размещают в отверстии корпуса, при этом создают с помощью волновода периодическую импульсную нагрузку для дополнительного сообщения перемещения металлических проволочек пучков ворса, их выпрямления и создания натяга.