СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА ИМПУЛЬСНОЙ ВОДЯНОЙ СТРУЕЙ Российский патент 2010 года по МПК B24B53/12 B24C1/02 B05B1/00 

Изобретение относится к технологии машиностроения, к механической обработке материалов связанным абразивом, к шлифованию и формированию периферийного рабочего режущего слоя шлифовального круга с возможностью аксиально-смещенного подвода смазочно-охлаждающего технологического средства (СОТС).

Известен способ и инструмент - шлифовальный круг для подачи СОТС через поры шлифовального круга при шлифовании деталей из закаленных углеродистых сталей [1]. Пористость кругов определяет структура, которая нормируется тремя группами: закрытые, или плотные, открытые и высокопористые. Для уменьшения теплообразования при скоростном и профильном шлифовании, шлифовании резьбы, заточке твердосплавного инструмента применяют высокопористые круги №11-18 на керамической связке, которые получают известными традиционными способами. Способ подачи СОТС через поры шлифовального круга уменьшает температуру 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 шлифования осуществляется высокопористыми кругами на керамической связке, так как в кругах на других связках сквозные поры отсутствуют.

Способ и инструмент, реализующий его, имеют существенные недостатки и отличаются невысокой эффективностью смазочного действия СОТС и незначительным охлаждающим действием СОТС, неудовлетворительным моющим действием по отношению к кругу и незначительным моющим действием по отношению к детали и станку, число СОТС, используемых одновременно, - одно. Шлифование проводят через 3…6 мин после подачи СОТС обязательно во вращающийся круг и прекращают подачу СОТС в него за 5 мин до выключения станка.

Известен способ и реализующее его устройство, которое содержит корпус с двумя подшипниковыми опорами, приводной диск с фрикционным покрытием, жестко закрепленный на валу, который установлен в подшипниковых опорах корпуса, правящий инструмент, соединенный с приводным диском, и неподвижную гайку, установленную соосно подшипниковым опорам корпуса, при этом вал выполнен с резьбовым хвостовиком, находящимся в контакте с гайкой, причем правящий инструмент представлен в виде тонкой сверхзвуковой высоконапорной струи жидкости, истекающей из невращающегося сопла, жестко связанного с подводящим каналом, расположенным во втулке, ось которой эксцентрична оси вращения приводного диска, в котором также эксцентрично расположены подшипники качения, связывающие втулку и приводной диск с возможностью их относительно вращательного и возвратно-поступательного радиального перемещения [2].

Известный способ и устройство имеют существенные недостатки: это узкие технологические возможности, так как не позволяют формировать на рабочей поверхности отверстия для аксиально-смещенного подвода смазочно-охлаждающего технологического средства, не позволяют регулировать параметры наносимого регулярного микрорельефа на режущей поверхности, способного интенсифицировать процесс шлифования, невысокое качество формирования рабочей поверхности шлифовального инструмента, невысокая стойкость обработанных поверхностей, низкая производительность и высокая величина получаемой шероховатости поверхности.

Задача изобретения - расширение технологических возможностей формирования на рабочей поверхности периферийного режущего слоя шлифовального круга с возможностью аксиально-смещенного подвода смазочно-охлаждающего технологического средства через радиальные отверстия, обеспечивающие снижение вероятности образования прижогов на обрабатываемой заготовке, повышение качества изделий и надежности работы инструмента, а также снижение трудоемкости процесса, снижение себестоимости изготовления, повышение производительности обработки, стойкости и снижение величины шероховатости обработанных поверхностей.

Поставленная задача решается предлагаемым способом формирования шлифовального круга импульсной водяной струей, включающим нанесение регулярного микрорельефа в виде сквозных радиальных отверстий в рабочей поверхности шлифовального круга для аксиально-смещенного подвода через них смазочно-охлаждающего технологического средства в зону резания посредством гидроимпульсного устройства, радиально расположенного своей продольной осью к центру шлифовального круга и содержащего корпус, выполненный с центральным ступенчатым продольным отверстием с конической поверхностью и поперечным отверстием для подвода через штуцер и трубопровод воды высокого давления, струеформирующую насадку, расположенную с одного торца корпуса в его центральном отверстии, установленный с другого торца в корпусе шток, выполненный с коническим наконечником, контактирующим с конической поверхностью отверстия корпуса, и кулачковый привод продольного перемещения, размещенный в установленной в корпусе посредством резьбы втулке, состоящий из шагового электродвигателя, кулачка, возвратной пружины и поперечно расположенной оси, шарнирно связанной со штоком, и позволяющий прерывать поток воды посредством возвратно-поступательного движения упомянутого штока с коническим наконечником, при этом шлифовальному кругу сообщают прерывистое вращение, а гидроимпульсному устройству - периодическое смещение вдоль оси круга.

Особенности предлагаемого способа, а также конструкции и работы устройства поясняются чертежами.

На фиг.1 показана схема формирования радиальных отверстий в шлифовальном круге импульсной водяной струей, позволяющих осуществить аксиально-смещенный подвод СОТС непосредственно в зону резания устройством, расположенным на периферии круга, общий вид на торец шлифовального круга; на фиг.2 - гидроимпульсное устройство, реализующее предлагаемый способ, продольный разрез, шток с наконечником в положении «открыто» для прохождения потока воды в струеформирующую насадку; на фиг.3 - гидроимпульсное устройство, продольный разрез, шток с наконечником в положении «закрыто», поток воды к струеформирующей насадке прерван; на фиг.4 - вид по А на фиг.2, кулачок в положении «открыто»; на фиг.5 - вид по Б на фиг.3, кулачок в положении «закрыто»; на фиг.6 - вид по В на фиг.1, общий вид сверху на периферийную поверхность круга с равномерно нанесенными сквозными радиальными отверстиями на всей рабочей поверхности; на фиг.7 - вид по В на фиг.1, общий вид сверху на периферийную поверхность круга, вариант расположения нанесенных радиальных отверстий, позволяющий совместить, например, закрытую и высокопористую структуры, последняя образована нанесенными радиальными отверстиями; на фиг.8 - вид по В на фиг.1, общий вид сверху на периферийную поверхность круга, вариант расположения нанесенных радиальных отверстий, позволяющих осуществить аксиально-смещенный подвод СОТС; на фиг.9 - вид по В на фиг.1, общий вид сверху на периферийную поверхность круга с закрытой структурой, вариант расположения в шахматном порядке нанесенных радиальных отверстий, позволяющий совместить высокопористую структуру, образованную нанесенными радиальными отверстиями с закрытой структурой; на фиг.10 - схема формирования радиальных отверстий в шлифовальном круге импульсной водяной струей, позволяющих осуществить аксиально-смещенный подвод СОТС непосредственно в зону резания устройством, расположенным в отверстии круга, общий вид с торца шлифовального круга.

Предлагаемый способ и устройство применяются для формирования всех видов шлифовальных кругов импульсной водяной струей, позволяют осуществить через радиальные отверстия аксиально-смещенный подвод смазочно-охлаждающего технологического средства непосредственно в зону резания.

Предлагаемый способ и устройство 1 предназначены для формирования радиальных отверстий в рабочей поверхности шлифовального круга 2 с целью подачи через них СОТС, позволяющих снизить вероятность образования прижогов и микротрещин на шлифуемой кругом заготовке (не показана).

Нанесение радиальных отверстий в шлифовальных кругах производится импульсной водяной струей высокого давления (до 400 МПа).

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит корпус 3 и имеет возможность перемещения вдоль оси вращения круга 2, а его продольная ось расположена радиально к центру круга 2.

В центральном ступенчатом продольном отверстии корпуса 3 с одного торца расположена струеформирующая насадка 4, которая крепится накидной гайкой 5 к резьбовой втулке 6, которая, в свою очередь, ввернута в центральное отверстие корпуса 3.

В средней части корпуса 3 имеется поперечное отверстие для подвода через штуцер 7 и трубопровод 8 воды высокого давления (до 400 МПа).

С другого торца в центральном отверстии корпуса 3 расположен шток 9 с коническим наконечником 10, который контактирует с конической поверхностью отверстия корпуса 3.

Шток 9 имеет кулачковый привод продольного перемещения, размещенный во втулке 11, которая установлена и закреплена на корпусе 3 с помощью резьбы. Кулачковый привод продольного перемещения состоит из возвратной пружины 12, поджимаемой винтом, кулачка 13 и поперечно расположенной оси 14. Ось 14, на которой жестко закреплен кулачок 13, шарнирно связана со штоком 9. Ось 14 приводится во вращение со скоростью V_K, например, шаговым электродвигателем (не показан), который присоединяется к четырехгранному наконечнику 15 оси 14 с помощью муфты (не показана). Вращение оси 14 может быть как непрерывное, так и прерывистое, в зависимости от условий работы и расположения наносимых радиальных отверстий.

Уплотнение 16 высокого давления обеспечивает герметизацию полости высокого давления внутри корпуса 3 и втулки 11.

Такая конструкция кулачкового привода продольного перемещения штока с запирающим коническим наконечником позволяет прерывать поток воды высокого давления и импульсной струей 17 воздействовать на шлифовальный круг с целью получения радиальных отверстий. Движение наконечника 10 вверх, согласно фиг.2-3, осуществляется за счет кулачка 13, получающего момент вращения от шагового электродвигателя (не показан), а движение вниз - за счет возвратной пружины 12.

Источник воды высокого давления представляет собой агрегат, состоящий из приводной насосной станции, повысителя давления мультипликаторного типа и системы подачи воды (не показаны).

Все элементы устройства, подверженные существенным динамическим и термическим нагрузкам (струеформирующая насадка, конический наконечник, внутренняя поверхность корпуса и др.), изготовлены из твердого сплава, а также имеют возможность быстрой замены.

Подготовка устройства для импульсного формирования радиальных отверстий к работе и его работа заключаются в следующем.

Предлагаемый способ осуществляется, например, на вертикально-сверлильном станке мод. 2Р135Ф2-1 с шестипозиционной револьверной головкой, крестовым столом и ЧПУ. На одной из позиций револьверной головки закрепляется устройство, реализующее предлагаемый способ. Шлифовальный круг 2 закрепляется на оправке, например в трехкулачковом патроне, установленном на универсальной делительной головке УДГ, закрепленной на столе станка (не показан).

Задают прерывистое вращение шлифовальному кругу 2 со скоростью V_ШК. При подаче высоконапорной водяной импульсной струи давлением ~ 400 МПа будет начинаться процесс формирования на периферийной поверхности шлифовального круга 2 регулярного микрорельефа в виде радиальных сквозных отверстий от периферии к центру (см. фиг.1) или от центра к периферии (см. фиг.10). Для равномерного нанесения радиальных отверстий на поверхность круга устройство в процессе формирования периодически смещают в осевом направлении S_O.

Предлагаемый способ и устройство позволяют регулировать параметры межцентрового расстояния формируемых радиальных отверстий на рабочей поверхности шлифовального круга в зависимости от условий обработки, давления жидкости, текущего диаметра шлифовального круга и его характеристики, что позволяет при работе сформированным шлифовальным кругом существенно снижать температурно-силовую напряженность процесса шлифования.

Заявляемое техническое решение позволяет:

- производить формирование регулярного макрорельефа, состоящего из радиальных отверстий, на рабочей поверхности шлифовального круга без дефектного слоя и износа правящего инструмента;

- исключить пылевыделение при работе правящего инструмента.

Обработка показала, что параметр шероховатости обработанной шлифовальным кругом с радиальными сквозными отверстиями рабочей поверхности уменьшился до значения Ra=0,15…0,32 мкм при исходном - Ra=3,2…6,3 мкм, при скорости V_РЕЗ=35 м/с (при традиционном шлифовании сплошными кругами - Ra=0,32…0,63 мкм), производительность повысилась более чем в два раза по сравнению с традиционным шлифованием, которое проводилось при скорости V_РEЗ=25 м/с. Повышение производительности произошло также за счет увеличения глубины шлифования в 1,5 раза, продольной и поперечной подач в 1,3…1,4 раза.

Для проведения экспериментальных исследований по изучению влияния основных действующих факторов на показатели процесса формирования радиальных отверстий на рабочей поверхности круга была разработана специальная установка источника воды высокого давления.

Источник воды высокого давления представляет собой агрегат, состоящий из масляной приводной насосной станции, повысителя давления мультипликаторного типа и системы подачи воды (не показаны).

Масляная приводная насосная станция предназначена для питания потребителя - повысителя давления гидравлической энергии масляного потока, и представляет собой смонтированные на общей раме асинхронный электродвигатель, приводящий во вращение аксиально-поршневой насос переменной подачи, маслобак, элементы гидроуправления и автоматики, объединенные между собой при помощи гидромагистралей (не показаны).

Конструкция приводной насосной станции обеспечивает подачу потока рабочей жидкости - гидравлического масла с давлением до 32 МПа и расходом до 90 л/мин. Повыситель давления представляет собой двухсторонний гидроцилиндр, обеспечивающий преобразование низкого давления масла на входе в высокое давление воды на выходе. Коэффициент мультипликации используемого повысителя давления составляет 7 единиц. Реверсирование движения поршня - штока осуществляется при помощи гидроуправления (не показаны).

Нагнетание высоконапорной воды осуществляется попеременно правой и левой полостью через напорные клапаны в общий трубопровод высокого давления. От повысителя давления высоконапорная вода поступает в аккумулятор высокого давления, предназначенный для сглаживания пульсации давления, и далее в водоимпульсное устройство. Для питания повысителя давления водой низкого давления, заполняющей полости повысителя через всасывающие клапаны, используется специальная насосная установка низкого давления или водопроводная сеть (не показаны).

Основные технические характеристики стендовой установки:

- давление высоконапорной воды - до 400 МПа;

- диаметр струеформирующей насадки - 0,0010; 0,0020; 0,0040 м;

- суммарная мощность электродвигателей стендовой установки - 40 кВт;

- масса стендовой установки (без учета рабочих жидкостей) - 480 кг;

- шаговый электродвигатель привода вращения кулачка мощностью - 0,4 кВт.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, шлифованного кругами, сформированными предлагаемым способом, проведены экспериментальные исследования обработки «корпуса» с использованием сформированных и традиционных кругов. Заготовку «корпуса» устанавливали на магнитном столе на станке, шлифовали на плоскошлифовальном станке мод. 3П722. Заготовка изготовлена из стали 40Х ГОСТ 1050-74, припуск на сторону - t=0,30 мм.

Обрабатывали «корпус» в размер по высоте 32,7±0,1; исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,63 мкм; шлифовальный круг со сформированными радиальными отверстиями, имеющими размеры: диаметр - 1 мм; межцентровое расстояние - 3 мм; (см. фиг.6-9), марка круга - ПП 14А25ПСМ2 7К1А 35 м/с; диаметр нового круга 450 мм, ширина круга 80 мм. Круг устанавливали на полую оправку, через которую подавали СОТС. Обрабатывали заготовки «корпуса» на следующих режимах: скорость вращения круга V_РЕЗ=35 м/с (1500 мин^-1); скорость продольного перемещения S_ПР=16 м/мин, поперечная подача круга S_ПОП=15 мм/ход стола; подача на глубину на проход - 0,015 мм; смазывающе-охлаждающей технологической смесью, подаваемой в зону шлифования, служил сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Шлифование проводили через 3…6 мин после подачи СОТС обязательно во вращающийся круг и прекращали подачу СОТС в него за 5 мин до выключения станка.

Требуемая шероховатость и точность плоской поверхности была достигнута за Т_м=1,75 мин (против Т_м ^баз=3,77 мин по базовому варианту при традиционной обработке шлифованием на Орловском сталепрокатном заводе ОСПАЗ).

Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68 и на профилометре мод. 283 тип АII ГОСТ 19300-86. В обработанной партии (равной 100 штук) бракованных деталей не обнаружено. Отклонение обработанной поверхности от плоскости составило не более 0,02 мм, что допустимо ТУ.

Сформированные по предлагаемому способу шлифовальные круги уменьшают теплообразование при скоростном и профильном шлифовании, шлифовании резьбы, заточке твердосплавного инструмента и работают как высокопористые круги, например №11-18.

Способ подачи СОТС через радиальные отверстия шлифовального круга уменьшает температуру 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 формирования рекомендуется для кругов на керамической связке, а также для кругов на других связках, например бакелитовых, вулканитовых и т.д., у которых сквозные поры отсутствуют при их изготовлении.

Инструмент с радиальными отверстиями, сформированными предлагаемым способом, отличается высокой эффективностью смазочного действия СОТС и значительным охлаждающим действием СОТС, удовлетворительным моющим действием по отношению к кругу и значительным моющим действием по отношению к детали и станку, число СОТС, используемых одновременно - не одно.

Способ и устройство расширяют технологические возможности формирования на рабочей части шлифовального круга сквозных радиальных отверстий как равномерно нанесенными на всей рабочей поверхности (см. фиг.6), так и отдельными зонами (фиг.7), позволяющими совмещать различные структуры, например закрытую и высокопористую структуры, образованные нанесенными радиальными отверстиями. На фиг.8 показан вариант расположения нанесенных радиальных отверстий, позволяющих осуществить аксиально-смещенный подвод СОТС, что способствует бесприжоговому шлифованию.

Вариант расположения нанесенных радиальных отверстий в шахматном порядке (см. фиг.9) позволяет совместить высокопористую структуру, образованную нанесенными радиальными отверстиями, например с нетронутой закрытой структурой используемого шлифовального круга.

Расположение устройства в отверстии круга (фиг.10) предпочтительнее по сравнению с положением, приведенным на фиг.1, тем, что радиальные отверстия не пересекутся и не ослабят рабочую часть, при этом используемое устройство должно иметь габаритные размеры, позволяющие расположить его в отверстии формируемого круга.

Предлагаемый способ и устройство расширяют технологические возможности формирования на рабочей поверхности периферийного режущего слоя шлифовального круга с возможностью аксиально-смещенного подвода СОТС через радиальные отверстия, обеспечивают снижение вероятности образования прижогов на обрабатываемой заготовке, повышают качество изделий и надежность работы инструмента, а также снижают трудоемкость процесса и себестоимость изготовления, повышают производительность обработки, стойкость и снижают величину шероховатости обработанных поверхностей.

Источники информации

1. Кащук В.А., Верещагин А.Б. Справочник шлифовщика. - М.: Машиностроение, 1988. - С.42…43; 244…252.

2. Патент РФ 2 105 656, В 24 В 53/12. Устройство для формирования шлифовального круга. Степанов Ю.С., Афанасьев Б.И., Бурнашов М.А., Селеменев М.Ф. Заявка №96110053/02. 21.05.96. 27.02.98. Бюл. №6.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при механической обработке материалов связанным абразивом для формирования периферийного рабочего режущего слоя шлифовального круга. Способ включает нанесение регулярного микрорельефа в виде сквозных радиальных отверстий в рабочей поверхности шлифовального круга для аксиально-смещенного подвода через них смазочно-охлаждающего технологического средства в зону резания посредством гидроимпульсного устройства, радиально расположенного своей продольной осью к центру шлифовального круга. Устройство содержит корпус, струеформирующую насадку, расположенную с одного торца корпуса в его центральном отверстии, установленный с другого торца в корпусе шток, выполненный с коническим наконечником, контактирующим с конической поверхностью отверстия корпуса, и кулачковый привод продольного перемещения, размещенный в установленной в корпусе посредством резьбы втулке, состоящий из шагового электродвигателя, кулачка, возвратной пружины и поперечно расположенной оси, шарнирно связанной со штоком, и позволяющий прерывать поток воды посредством возвратно-поступательного движения упомянутого штока с коническим наконечником. Шлифовальному кругу сообщают прерывистое вращение, а гидроимпульсному устройству - периодическое смещение вдоль оси круга. Расширяются технологические возможности, снижаются трудоемкость процесса и себестоимость изготовления, повышается производительность. 10 ил.

Способ формирования шлифовального круга импульсной водяной струей, включающий нанесение регулярного микрорельефа в виде сквозных радиальных отверстий в рабочей поверхности шлифовального круга для аксиально-смещенного подвода через них смазочно-охлаждающего технологического средства в зону резания посредством гидроимпульсного устройства, радиально расположенного своей продольной осью к центру шлифовального круга и содержащего корпус, выполненный с центральным ступенчатым продольным отверстием с конической поверхностью и поперечным отверстием для подвода через штуцер и трубопровод воды высокого давления, струеформирующую насадку, расположенную с одного торца корпуса в его центральном отверстии, установленный с другого торца в корпусе шток, выполненный с коническим наконечником, контактирующим с конической поверхностью отверстия корпуса, и кулачковый привод продольного перемещения, размещенный в установленной в корпусе посредством резьбы втулке, состоящий из шагового электродвигателя, кулачка, возвратной пружины и поперечно расположенной оси, шарнирно связанной со штоком, и позволяющий прерывать поток воды посредством возвратно-поступательного движения упомянутого штока с коническим наконечником, при этом шлифовальному кругу сообщают прерывистое вращение, а гидроимпульсному устройству - периодическое смещение вдоль оси круга.