СПОСОБ ВИБРАЦИОННОГО ХОНИНГОВАНИЯ Российский патент 2012 года по МПК B24B33/02 B06B1/18 

Изобретение относится к резанию труднообрабатываемых металлов и может быть использовано при чистовой, отделочной алмазно-абразивной обработке, например при хонинговании отверстий.

Известен способ вибрационного хонингования и реализующее его устройство, 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 способа и 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 способ и устройство не позволяет регулировать величину амплитуды колебаний и малопроизводительно.

Известен способ и 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 способа и устройства является возможность отказа 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 колебания, что чрезвычайно важно при выборе оптимальной величины последней для данных конкретных условий обработки. Устройство не отличается высокой производительностью и качеством обработки.

Известен способ и устройство для вибрационного хонингования, содержащее вибратор, выполненный в виде упорного подшипника и установленный с возможностью взаимодействия с брускодержателями, несущими хонинговальные бруски, причем оно снабжено установленными с каждой стороны подшипника в количестве двух штук шайбами с непараллельными торцами, выполненными под углом α/2 с возможностью плавного регулирования угла наклона от нуля до α, тягами, выполненными в виде пластинчатых пружин, втулкой с наружным диаметром D, при этом упорный подшипник выполнен двойным, установлен под углом α к плоскости вращения с помощью шайб, а втулка запрессована в среднем кольце двойного подшипника и соединена тягами с брускодержателями для сообщения последним вибрационного перемещения с амплитудой А_r, определяемой из соотношения A_r=Dcosα [3].

Недостатками известного способа и устройства являются малые амплитуды вибрационных перемещений и невозможность регулирования частоты вибраций, которые прямо пропорционально влияют на производительность и качество обработки.

Известен способ и устройство для алмазно-абразивной обработки отверстий со статико-импульсным нагружением, содержащее корпус и брускодержатели, несущие расположенные снаружи алмазно-абразивные бруски, при этом оно снабжено жестко закрепленной на корпусе втулкой с продольными пазами для брускодержателей, синусоидальными плоскими пружинами, на которые внутренней поверхностью опираются брускодержатели и которые одним концом жестко закреплены на корпусе, а другим шарнирно соединены с кольцом, входящим в привод изменения наружного диаметра, причем кольцо снабжено пальцами, контактирующими с байонетными пазами, изготовленными в корпусе под углом к продольной оси, и рукояткой, проходящей через паз во втулке, волноводом с рычагами, воздействующими на торцы брускодержателей и расположенными в пазах корпуса и втулки, винтовыми цилиндрическими пружинами сжатия, воздействующими на противоположные торцы брускодержателей, и бойком, расположенным в центральном продольном отверстии корпуса соосно с волноводом [4, 5].

Недостатками известного способа и устройства являются весьма сложная и дорогая оснастка, которая требуется для реализации способа обработки, особенно это не выгодно при малых сериях выпуска продукции, кроме того, гидравлический генератор импульсов, используемый в данном устройстве, имеет оригинальную конструкцию и требует специальной разработки и изготовления, при этом узкие технологические возможности, не высокая производительность и качество обработки ограничивают применение способа и устройства.

Задача изобретения - расширение технологических возможностей, повышение производительности, точности и качества алмазно-абразивной обработки путем наложения вибраций на продольное возвратно-поступательное перемещение алмазно-абразивных брусков с использованием упрощенной конструкции пневматического генератора возбуждения колебаний, основанный на применении пневмоплунжеров с оптимальной частотой вибраций, регулируемой дополнительным механизмом.

Поставленная задача решается путем использования предлагаемого способа вибрационного хонингования, включающего сообщение устройству, имеющему корпус и брускодержатели, несущие, расположенные снаружи с возможностью разжатия алмазно-абразивные бруски, возвратно-вращательного и возвратно-поступательного движений, причем корпус представляет собой втулку, жестко закрепленную центральным отверстием на шпиндельной оправке, при этом корпус имеет по периферии, по окружности, продольно расточенные цилиндрические отверстия, в которых расположены плунжеры с возможностью возвратно-продольного перемещения, причем каждый плунжер в средней части имеет шарнир, на котором продольно установлено коромысло, несущее на своих концах винтовые цилиндрические пружины сжатия, обеспечивающие поджим и радиальное рабочее давление брускодержателя с алмазно-абразивным бруском к обрабатываемой поверхности, кроме того, вышеупомянутые плунжеры с коромыслами и брускодержателями подвергаются продольным вибрациям за счет подачи сжатого воздуха из сети через коллектор, канал в ступице шкива, в верхнюю часть цилиндра, при этом плунжер движется вниз до тех пор, пока поперечное сечение цилиндра не совпадет с отверстием, выпускающим сжатый воздух в атмосферу, а движению плунжера вверх способствует предварительно сжатая пружина, находящаяся внизу цилиндра и выталкивающая плунжер вверх, причем частоту вибраций плунжеров регулируют частотой вращения шкива.

Сущность способа поясняется чертежами.

На фиг.1 показана схема вибрационного хонингования отверстия заготовки предлагаемым способом, который реализуется представленным устройством, продольный разрез; на фиг.2 - поперечное сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.3 - общий вид устройства, вид сбоку; на фиг.4 - вид В, вид снизу на фиг.3.

Устройство, с помощью которого реализуется предлагаемый способ, предназначено для чистовой отделочной обработки отверстий в режиме хонингования с наложением осциллирующих колебаний А в продольном направлении алмазно-абразивным брускам 1, при этом шпинделю 2 сообщают вращательное движение V_И с реверсированием направления вращательного движения и возвратно-продольное перемещение S_ПР, как при традиционном хонинговании.

Предлагаемый способ и устройство содержит корпус 3, представляющий собой втулку, имеющий центральное продольное отверстие, которым он жестко закреплен на шпинделе с помощью болта 18. Корпус имеет на периферии расположенные по окружности продольно расточенные цилиндрические отверстия 4. Количество периферийных отверстий выбирается по конструктивным соображениям и зависит от технических условий процесса виброхонингования заготовок и может выполняться от 2-х до 6-ти и более.

В цилиндрических отверстиях корпуса с возможностью возвратно-продольных осциллирующих перемещений с амплитудой А расположены плунжеры 5, которые снизу (согласно фиг.1) подпираются винтовыми цилиндрическими пружинами сжатия 6.

Плунжеры 5 в средней части имеют шарнир 7 с осью 8, на котором продольно установлено коромысло 9, несущее на своих концах винтовые цилиндрические пружины сжатия 10, обеспечивающие поджим и радиальное рабочее давление Р брускодержателя 11 с алмазно-абразивным бруском 1 к обрабатываемой поверхности. Для размещения шарнира 7 на средней части плунжера 5 в средней части корпуса против каждого цилиндра прорезан паз. За счет качания коромысла на оси шарнира алмазно-абразивный брусок равномерно по всей длине прилегает к обрабатываемой поверхности.

Крепление алмазно-абразивных брусков на брускодержателях осуществляется снаружи традиционным приклеиванием, как самое надежное, минимально трудоемкое и легко осуществимое.

Каждый плунжер с коромыслом, брускодержателем и алмазно-абразивным бруском подвергается возвратно-продольным вибрациям с амплитудой А. Сжатый воздух давлением Р_СЖ из пневмосети через неподвижный штуцер 12 поступает во вращающийся канал 13 через коллектор 14. Коллектор представляет собой кольцо, охватывающее ступицу 15 шкива 16 и имеющее внутреннюю канавку, соединяющую штуцер с каналами. Каналов 13 во вращающейся ступице 15 шкива 16 просверлено по числу цилиндров. Попадая в верхнюю часть цилиндра, сжатый воздух перемещает плунжер вниз (согласно фиг.1), сжимая пружину 6 до тех пор, пока при вращении ступицы шкива поперечное сечение цилиндра не совпадет с выпускным отверстием 17, выпускающим сжатый воздух в атмосферу. Движение плунжера вверх осуществляет предварительно сжатая пружина 6, находящаяся внизу цилиндра и выталкивающая плунжер вверх, причем частоту вибраций плунжеров регулируют частотой вращения V_Ч шкива 16. Имеющийся в конструкции подвода сжатого воздуха вращающийся шкив со ступицей, в которой расположены пневмоканалы, позволяет регулировать частоту срабатывания плунжеров с алмазно-абразивными брусками. Шкив 16 смонтирован на шпинделе 2 с помощью подшипника качения 19 и подшипника скольжения в виде втулки 20.

Предлагаемая конструкция пневматического генератора возбуждения колебаний, приводимая во вращение V_Ч шкивом 16 клиноременной передачи от дополнительного электродвигателя (не показан), позволяет получать различный по характеру рисунка микрорельеф на хонингуемой поверхности отверстия заготовки. С целью упрощения кинематики конструкции привода генератора возбуждения колебаний в качестве дополнительного, как вариант, использовали шаговый электродвигатель (не показан).

Работа по предлагаемому способу заключается в следующем.

Устройство для работы по предлагаемому вибрационному хонингованию устанавливается на шпинделе хонинговального или сверлильного станка, оснащенного дополнительным двигателем для вращения шкива пневматического генератора возбуждения вибраций. К коллектору подводится сжатый воздух строго определенного давления 3…6 КПа, т.к. от величины давления воздуха зависит скорость перемещения хонинговальных брусков и в некоторой степени частота срабатывания, исходя из того, что увеличение давления предполагает увеличение скорости вращения шкива пневматического генератора возбуждения вибраций.

Сжатый воздух через коллектор и канал в ступице наполняет цилиндр и перемещает плунжер и закрепленный на нем с помощью коромысла и брускодержателя алмазно-абразивный брусок в нижнее положение, при этом выталкивающая пружина, находящаяся под плунжером, - сжимается.

При совмещении цилиндра с выпускным отверстием 17 сжатый воздух в верхней части цилиндра стравливается в атмосферу и плунжер с бруском выталкиваются пружиной вверх. Частота вибраций брусков зависит от соотношения частот вращения шпинделя и скорости вращения шкива пневматического генератора возбуждения вибраций, а также от направления их вращения.

Минимальная частота вибраций брусков будет при совпадении направлений вращения шпинделя V_И и вращения шкива V_Ч.

Максимальная частота колебаний брусков будет при встречном направлении вращения шпинделя V_И и вращения шкива V_Ч, и чем больше их частоты вращения, тем выше частота колебаний брусков.

Таким образом, происходит алмазно-абразивное хонингование с вибрационным возвратно-продольным нагружением брусков, которое существенно улучшает качество обработанной поверхности и повышает в несколько раз производительность.

В качестве примера проводилась обработка отверстия гильзы цилиндра 130-1002021 на вертикально-хонинговальном станке мод. ЗМ83С, оснащенном хонинговальной головкой с пневматическим генератором возбуждения вибраций и алмазно-абразивными брусками АС6 80/63 50М1 (ГОСТ 25594-83) - 6 шт.; панелью с электроконтактным датчиком - СП-231; автокалибром 8М-17729-02. Материал обрабатываемой заготовки-отливки гильзы цилиндра - специальный чугун, имеющий химический состав (в %): С 3,2…3,4; Si 2,0…2,3; Мn 0,5…0,8; Cr 0,25…0,40; Ni 0,10…0,25; P<0,20; S<0,15; Fe - остальное. Механические свойства чугуна: 170…241 НВ; σ_В>206 Н/мм²; σ_ИЗ=432 Н/мм². Диаметр обрабатываемого отверстия 100,50…100,56 мм; шероховатость - Ra=0,32 мкм. После сборки хонинговальной головки для точного расположения бруски прирабатывались притирочной пастой на хонинговальном станке по отверстию хонингуемой (бракованной) гильзы при равенстве окружной скорости V_И и скорости продольного хода S_ПР. Притирочной пастой являлся абразивный порошок из зеленого карбида кремния зернистостью 5, смешанный с тавотом в пропорции 1:2. Пасту наносили кисточкой на алмазные бруски. Приработка алмазных брусков производилась до тех пор, пока площадь контакта не достигла 90%. Продолжительность притирки брусков составила 14,5 мин. Режимы алмазно-абразивной обработки: V_И=19 м/мин; S_ПР=37,7 м/мин.

Значения технологических факторов (частоты вибраций брусков, величины амплитуды А, величины подачи) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность вибрационного воздействия при обработке элементарной площадки обрабатываемой поверхности в диапазоне 6…10. Дальнейшее увеличение кратности осциллирующего воздействия незначительно влияет на эффективность обработки.

Величина силы статического поджатия брусков к обрабатываемой поверхности составляла Р>25…40 Н.

Предлагаемый способ и устройство позволили повысить производительность в 1,5…2 раза, исключить операцию получистовой алмазно-абразивной обработки благодаря улучшению шероховатости поверхности на 1…2 класса. При этом расход алмазно-абразивного инструмента снизился на 20%.

Вибрационная нагрузка в сочетании с вращательным и возвратно-поступательным движениями устройства создает перекрестное движение алмазно-абразивных зерен и периодически изменяет 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 со статическим нагружением увеличивает число активно работающих алмазно-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.

Предлагаемые способ и устройство позволяют 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 алмазно-абразивной обработке, облегчаются съем материала и стружкообразование, уменьшается расход энергии на резание и трение.

Предлагаемый способ и устройство расширяют технологические возможности вибрационного хонингования, повышает производительность, точность и качество алмазно-абразивной обработки путем наложения вибраций на продольное возвратно-поступательное перемещение алмазно-абразивных брусков с использованием упрощенной конструкции пневматического генератора возбуждения колебаний, основанный на применении пневмоплунжеров с оптимальной частотой вибраций, регулируемой дополнительным механизмом.

Способ целесообразно и эффективно использовать при обработке заготовок малой жесткости из труднообрабатываемых материалов и сплавов.

Источники информации

1. А.с. СССР №356108, кл. B24B 33/00, 1970.

2. А.с. СССР №1530418, кл. В24В 33/00, 1987.

3. Патент РФ №2146593, МКИ 7 В24В 33/00, 33/02 //В24В 1/04. Устройство для вибрационного хонингования. Степанов Ю.С., Афанасьев Б.И. и др. Заявка №98115880/02; 17.08.1998; 28.03.2000. Бюл. №8.

4. Патент РФ №2291043. МПК В24В 33/02; В24В 33/08. Устройство для алмазно-абразивной обработки со статико-импульсным нагружением. Степанов Ю. С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И. и др. Заявка 2005124502/02, 01.08.2005; 10.01.2007; Бюл. №1 - прототип.

5. Патент РФ №2290292. МПК В24В 1/00; В24В 33/02; В24В 33/08. Способ алмазно-абразивной обработки со статико-импульсным нагруженном. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И. и др. Заявка 2005124415/02, 01.08.2005; 27.12.2006; Бюл. №36 - прототип.

Изобретение относится к резанию труднообрабатываемых металлов и может быть использовано при чистовой отделочной алмазно-абразивной обработке, например, хонинговании отверстий. Хонингование осуществляют при сообщении устройству, имеющему корпус и брускодержатели с алмазно-абразивными брусками, возвратно-вращательного и возвратно-поступательного движений. Корпус используют в виде втулки, жестко закрепленной центральным отверстием на шпиндельной оправке и имеющей на периферии по окружности продольно расточенные цилиндрические отверстия. В последних располагают плунжеры с возможностью возвратно-продольного перемещения. Каждый плунжер в средней части имеет шарнир, на котором продольно установлено коромысло с винтовыми пружинами сжатия для поджима и создания рабочего давления брусков на обрабатываемую поверхность. Плунжеры с брускодержателями подвергают продольным вибрациям за счет подачи сжатого воздуха из сети через коллектор, канал в ступице шкива в верхнюю часть цилиндра. Плунжер движется вниз до совпадения поперечного сечения цилиндра с отверстием, выпускающим сжатый воздух в атмосферу. Движение плунжера вверх обеспечивает предварительно сжатая пружина, находящаяся внизу цилиндра. Частоту вибраций плунжеров регулируют частотой вращения шкива. В результате повышается производительность, точность и качество алмазно-абразивной обработки путем наложения, вибраций на продольное возвратно-поступательное перемещение брусков. 4 ил.

Способ вибрационного хонингования, включающий сообщение устройству, имеющему корпус и брускодержатели, несущие расположенные снаружи с возможностью разжатия алмазно-абразивные бруски, возвратно-вращательного и возвратно-поступательного движений, отличающийся тем, что используют корпус, представляющий собой втулку, жестко закрепленную центральным отверстием на шпиндельной оправке, и имеющий на периферии по окружности продольно расточенные цилиндрические отверстия, в которых располагают плунжеры с возможностью возвратно-продольного перемещения, каждый из которых в средней части имеет шарнир, на котором продольно устанавливают коромысло, несущее на своих концах винтовые цилиндрические пружины сжатия, обеспечивающие поджим и радиальное рабочее давление брускодержателя с алмазно-абразивным бруском к обрабатываемой поверхности, при этом упомянутые плунжеры с коромыслами и брускодержателями подвергают продольным вибрациям за счет подачи сжатого воздуха из сети через коллектор, канал в ступице шкива в верхнюю часть цилиндра, причем плунжер движется вниз до тех пор пока поперечное сечение цилиндра не совпадет с отверстием, выпускающим сжатый воздух в атмосферу, а движению плунжера вверх способствует предварительно сжатая пружина, находящаяся внизу цилиндра и выталкивающая плунжер вверх, причем частоту вибраций плунжеров регулируют частотой вращения шкива.