СПОСОБ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ШЛИФОВАНИЯ Российский патент 2012 года по МПК B24B1/04 B24B7/02 B06B1/18 

Изобретение относится к технологии машиностроения, к механической обработке трудношлифуемых металлов и сплавов, склонных к прижогам и микротрещинам и может быть использовано при шлифования и полирования плоских поверхностей.

Известен способ шлифования, включающий непрерывное наложение на заготовку через обрабатываемую поверхность в направлении нормали ультразвуковых колебаний, при этом заготовке сообщают колебания, модулированные по частоте [1].

Недостатком известного способа является неэффективное повышение интенсификации процесса, не дающее повышения производительности и качества изготовляемой продукции ввиду того, что ультразвуковая обработка ведется на частотах свыше 16 КГц и амплитудой в несколько единиц мкм [2]. Разделение колебаний на низко- (до 200 Гц), высокочастотные (от 200 до 16000 Гц) и ультразвуковые (свыше 16000 Гц) имеет существенное значение, поскольку различная частота колебаний по-разному влияет на процесс деформирования материала, элементов технологической системы: станок - приспособление - инструмент - заготовка, и на процесс стружкообразования. Алмазно-абразивные зерна, имеющие размеры на порядок больше, чем амплитуда ультразвуковых колебаний, осуществляют резания только передними гранями, как при традиционном шлифовании, и зона контакта инструмента с заготовкой увеличивается на ничтожно малую величину.

Задача изобретения - расширение технологических возможностей, повышение качества и производительности обработки за счет сообщения обрабатываемой заготовке низкочастотных, не зависящих от частоты вращения инструмента поперечных колебаний, повышение интенсификации процесса шлифования за счет приложения к заготовке поперечной импульсной силы, позволяющей осуществлять резание не только передними, но и боковыми гранями зерен, а также за счет увеличения зоны контакта шлифовального круга с заготовкой, позволяющей экономно расходовать алмазно-абразивный материал.

Поставленная задача решается предлагаемым способом колебательного шлифования, включающим непрерывное наложение на обрабатываемую заготовку колебаний низкой частоты и амплитудой на порядок больше размеров алмазно-абразивного зерна шлифовального инструмента, для чего используют устройство, содержащее корпус, на верхней части которого подвижно на планках из антифрикционного материала, выполняющих функции подшипников скольжения, установлена прямоугольная плита для закрепления на ней заготовок, при этом на нижнем торце плиты закреплен кронштейн, жестко соединенный с волноводом, входящим в состав механизма импульсного нагружения для колебательного движения заготовок в поперечном направлении в виде гидравлического генератора импульсов, причем боек гидравлического генератора импульсов установлен с возможностью воздействия на волновод с обеспечением поперечных колебаний плите, для ориентации движения в горизонтальной плоскости которой предусмотрены направляющие планки с регулировочными винтами, кроме того, в состав механизма импульсного нагружения входит винтовая цилиндрическая пружина сжатия, возвращающая плиту с заготовками, кронштейном и волноводом после удара по нему бойка в первоначальное положение.

Особенности способа колебательного шлифования поясняются чертежами.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ колебательного шлифования, вид спереди, поперечный разрез; на фиг.2 - вид сверху по А на фиг.1; на фиг.3 - сечение по Б - Б на фиг.2; на фиг.4 - схема плоского шлифования периферией круга плоской поверхности заготовки предлагаемым способом; на фиг.5 - схема плоского шлифования периферией круга плоской поверхности заготовки с использованием предлагаемого способа, вид сверху по В на фиг.4; на фиг.6 - развертка следа шлифовального круга на обрабатываемой плоской поверхности заготовки, подверженной импульсным колебаниям в поперечном направлении.

Предлагаемый способ колебательного шлифования предназначен для высокоэффективного плоского шлифования на плоскошлифовальных станках с сообщением заготовке колебаний низкой до 100 Гц частоты и амплитудой А_К на порядок больше размеров алмазно-абразивного зерна шлифовального инструмента, например А_К=0,5…2 мм, и позволяет нагружать заготовку в поперечном направлении импульсной Р_ИМ нагрузкой со скоростью V_З.

Предлагаемый способ колебательного шлифования реализуется устройством, содержащим корпус 1, нижняя часть которого выполнена в виде опор 2 с пазами для крепежных болтов с возможностью закрепления на столе станка (последний не показан). Верхняя часть корпуса выполнена плоской с возможностью установки на ней обрабатываемых заготовок 3. На верхней части корпуса подвижно на опорных планках 4 из антифрикционного материала, выполняющих функции подшипника скольжения, установлена прямоугольная плита 5, на которой с помощью известных приспособлений (не показаны) устанавливают и закрепляют заготовки при обработке на плоскошлифовальном станке (не показан). Опорные планки 4 изготовлены из антифрикционного материала, например оловянно-фосфористой литейной бронзы Бр. ОФ10-1 (по ОСТ 1.90054-72).

Опорные планки закрепляют на корпусе с помощью крепежных планок 6 винтами 7. На торце, обращенном к плите, крепежных планок закреплен уплотнитель 8, предохраняющий от попадания в зону сопряжения плиты с опорными планками отработанного шлама. Уплотнитель, изготовленный из упругого материала, также выполняет функции демпфера.

Крепежные планки установлены с гарантированным зазором Z относительно плиты, позволяющим колебательное перемещение плиты в горизонтальной плоскости в направлении поперечной подачи S_ПОП.

В продольном направлении S_ПР движение плиты относительно корпуса ограничено направляющими планками 9 с регулировочными винтами 10. Направляющие планки 9, расположенные с противоположных сторон плиты, ориентируют колебательные движения плиты в горизонтальной плоскости в поперечном направлении. Контакт направляющих планок с плитой осуществляется через опорные планки 11, которые неподвижно закреплены на направляющих планках. Опорные планки 11 изготовлены также из антифрикционного материала. Регулировочными винтами добиваются нулевого зазора между опорными планками и плитой при ее поперечных колебаниях.

На нижнем торце плиты закреплен кронштейн 12, жестко соединенный с волноводом 13, который воспринимает на себя удары бойка 14 гидравлического генератора импульсов (ГГИ) (не показан) [3, 4], последний входит в состав механизма импульсного нагружения Р_ИМ устройства.

Волновод и боек входит в состав механизма импульсного нагружения Р_ИМ заготовок в поперечном направлении S_ПОП в виде ГГИ. Боек ГГИ установлен с возможностью ударного воздействия силой Р_ИМ на волновод с обеспечением поперечных колебаний с амплитудой А_К и частотой ƒ плиты с заготовками.

В состав механизма импульсного нагружения входит винтовая цилиндрическая пружина сжатия 15, возвращающая плиту с заготовками, кронштейном и волноводом после удара по нему бойка в первоначальное положение. Пружина расположена между волноводом и винтом 16, который позволяет регулировать усилие возврата. Для предотвращения продольного изгиба пружины и предохранения попадания шлама в зону расположения пружины ее охватывает телескопическая обечайка 17.

Вышеупомянутый гарантированный зазор Z между плитой и крепежными планками, дающий возможность колебательного движения плиты в горизонтальной плоскости в поперечном направлении, должен быть не менее удвоенной амплитуды колебательных движений, т.е. Z>2А_K мм.

Работа по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Способ применим для плоского шлифования при работе как периферией (см. фиг.4, 5), так и торцом круга. На фиг.4, 5 изображена схема плоского шлифования периферией круга плоской поверхности заготовки, закрепленной на плите устройства, реализующего предлагаемый способ, установленного на плоскошлифовальном станке с крестовым (прямоугольным) столом, например, мод. 3Е711 В-1. Для установки и закрепления плоских призматических заготовок может быть использована электромагнитная прямоугольная плита по ГОСТ 17519-81 или плита с постоянными магнитами по ГОСТ 16528-81, которая устанавливается на плиту устройства, реализующего предлагаемый способ, или другое известное станочное приспособление.

Нагрузка врезания, действующая по нормали на обрабатываемую поверхность заготовки, создается механизмами станка подачей S_Р (см. фиг.4, 5), как при традиционном плоском шлифовании. Выбор величины нагрузки врезания и глубины резания зависит от конкретных условий обработки и технических требований к обрабатываемой поверхности.

При плоском шлифовании заготовка вместе со столом совершает возвратно-поступательные продольные движения S_ПР, при этом инструменту сообщают вращательное движение V_И и поперечную подачу S_ПОП на каждый двойной ход стола.

В качестве механизма импульсного нагружения колебательного движения обрабатываемой заготовки применяется гидравлический генератор импульсов [3, 4]. При плоском шлифовании заготовка вместе со столом совершает возвратно-поступательные продольные движения S_ПР и дополнительное колебательное движение с амплитудой А_К и частотой ƒ в поперечном направлении, реализуемое устройством, при этом шлифовальному кругу сообщают вращательное движение V_И и поперечную подачу S_ПОП на каждый двойной ход стола.

Периодическую импульсную Р_ИМ нагрузку создает ГГИ и посредством бойка передает ее волноводу и плите с заготовками, которые перемещаются в поперечном направлении.

Импульсная ударная нагрузка Р_ИМ через кронштейн воздействует на плиту и перемещает ее на величину амплитуды А_К поперек продольного движения стола станка с устройством (согласно фиг.1-2, слева направо). После окончания действия удара плита с кронштейном и волноводом отводится с помощью пружины в первоначальное положение (согласно фиг.1-2, в крайнее левое).

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 заготовку и обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов.

Дойдя до заготовки, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы резания. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами устройства.

В результате наложения на продольное движение заготовки S_ПР и ее импульсного поперечного перемещения вместе с плитой со скоростью V_З создается перекрестное движение обрабатываемой поверхности заготовки относительно вектора скорости V_И алмазно-абразивных зерен шлифовального круга и периодически изменяется скорость резания и сила трения. Причем происходит изменение направления скольжения круга относительно обрабатываемой заготовки, алмазно-абразивные зерна начинают работать как передними, так и боковыми гранями, изменяется в сторону увеличения ширина обработки за один проход и интенсивность съема материала. На ширину обработки за один проход шлифовального круга будет влиять высота шлифовального круга Н_Ш и величина амплитуды колебания заготовки А_К в поперечном направлении (см. фиг.6). При этом облегчается съем металла и стружкообразование, улучшается самозатачивание зерен, а переменные силы активно перераспределяются в плоскости резания, вследствие чего полностью подавляются автоколебания и сила трения уменьшается до 4 раз. Кроме того, это позволяет увеличить число активно работающих алмазно-абразивных зерен и интенсифицировать срезание выступов неровностей обрабатываемой поверхности.

В результате совмещения импульсного возвратно-поступательного поперечного перемещения заготовки с плитой и продольного движения устройства со столом станка на обработанной поверхности формируется износостойкий, регулярный микрорельеф с перекрестным направлением рисок и неровностями малой и однородной высоты, улучшается качество поверхностного слоя заготовки и гасятся автоколебания. Причем улучшаются условия работы абразивных зерен, уменьшается их износ, повышается интенсивность съема материала и размерная стойкость круга, создается благоприятная кинематика движения абразивных зерен относительно заготовки, что также снижает шероховатость обработанной поверхности.

Снижение силы трения и гашение автоколебаний шлифовального шпинделя с кругом позволяет улучшить качество обработанной поверхности при одновременном увеличении режимов и производительности. Полное подавление автоколебаний и уменьшение силы трения позволяет повысить режимы и производительность обработки в 3 раза без ухудшения качества обработанной поверхности.

Кроме того, в таких условиях стойкость инструмента возрастает до 2 раз, а в процессе шлифования жесткими кругами - до 5 раз и более, по сравнению со стойкостью при традиционной абразивной обработке без наложения колебаний.

Предлагаемый способ позволяет повысить производительность также благодаря совмещению черновой и чистовой обработки.

При шлифовании мягкими кругами обеспечивается однотонная зеркально чистая поверхность с малой высотой неровностей.

Шлифование жесткими алмазно-абразивными кругами с применением предлагаемого способа не уступает по производительности высокоскоростному шлифованию, но обеспечивает улучшение качества обработанной поверхности.

Таким образом, происходит интенсивно воздействующее на обрабатываемую поверхность шлифование с импульсным нагружением обрабатываемой заготовки, которая существенно улучшает качество обработанной поверхности и повышает в несколько раз производительность.

Проведены производственные испытания с использованием предлагаемого способа, реализуемого выше рассмотренным устройством, предназначенным для колебательно-импульсного плоского шлифования, установленным на плоскошлифовальный станок с крестовым (прямоугольным) столом мод. 3Е711 В-1. Плоские призматические заготовки общей массой до 10 кг устанавливались на плиту с постоянными магнитами по ГОСТ 16528-81, которая в свою очередь устанавливалась на устройство, реализующее предлагаемый способ. Обработка проводилась с частотой колебаний не более ƒ=100 Гц и величиной амплитуды колебаний А_З=0,5…2,0 мм.

Испытания проводились с использованием специального стенда. В состав привода колебаний входил механизм импульсного нагружения заготовок в поперечном направлении в виде гидравлического генератора импульсов [3, 4]. Величина силы импульсного воздействия на заготовку при ее колебательном движении составляла Р_ИМП=255…400 Н.

Значения технологических факторов (частоты колебаний, величины амплитуды колебаний) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность колебательного воздействия на элементарную площадку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6…10. Дальнейшее увеличение кратности воздействия ведет к возникновению больших инерционных сил и автоколебаний.

Производственные испытания показали, что предложенный способ обеспечивает осцилляцию теплового поля, интенсифицирует процесс обработки вследствие прироста площади контакта заготовки с инструментом за один проход, позволяет получить пересечение под углом траекторий движения алмазно-абразивных зерен шлифовального круга с направлением исходной шероховатости, обуславливая сетку следов и характер микрогеометрии как при хонинговании, шлифохонинговании с наложением вибраций. Улучшаются условия самозатачивания шлифовального круга.

Шлифование плоских заготовок предлагаемым способом позволяет стабильно получать шероховатость Ra=0,32 мкм по всей длине с 95% вероятностью и полным отсутствием следов «рубленности».

Способ расширяет технологические возможности плоского шлифования, повышает качество и производительность обработки за счет сообщения заготовкам низкочастотных, не зависящих от частоты вращения инструмента колебаний, интенсифицирует процесс шлифования и позволяет осуществлять резание не только передними, но и боковыми гранями алмазно-абразивных зерен, а также за счет увеличения зоны контакта инструмента с заготовкой, позволяющей экономно расходовать алмазно-абразивный материал.

Источники информации

1. Заявка на изобретение RU №2004129025/02. МПК В24В 1/04. Способ шлифования. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Чудинов М.А. 01.10.2004; 10.03.2006-прототип.

2. Хорбенко И.Г. Ультразвук в машиностроении. М., 1974.

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 2 090 342. 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, к механической обработке трудношлифуемых металлов и сплавов, склонных к прижогам и микротрещинам и может быть использовано при шлифовании и полировании плоских поверхностей заготовок. Осуществляют непрерывное наложение на обрабатываемую заготовку колебаний низкой частоты и амплитудой, соизмеримой с размерами алмазно-абразивного зерна шлифовального инструмента. Используют устройство, на верхней части корпуса которого подвижно на планках из антифрикционного материала, выполняющих функции подшипников скольжения, устанавливают прямоугольную плиту для закрепления на ней заготовки. На нижнем торце плиты закрепляют кронштейн, жестко соединенный с волноводом, входящим в механизм импульсного нагружения в виде гидравлического генератора импульсов. Боек последнего устанавливают с возможностью воздействия на волновод с обеспечением поперечных колебаний плиты. Для ориентации движения в горизонтальной плоскости плиты посредством винтовой цилиндрической пружины сжатия механизма импульсного нагружения возвращают плиту с заготовкой, кронштейн и волновод после удара по нему бойка в первоначальное положение. В результате повышаются качество и производительность обработки за счет сообщения заготовкам низкочастотных, не зависящих от частоты вращения инструмента колебаний. 6 ил.

Способ колебательного шлифования, включающий непрерывное наложение на обрабатываемую заготовку колебаний, отличающийся тем, что заготовке сообщают колебания низкой частоты и амплитуды, соизмеримой с размерами алмазно-абразивного зерна шлифовального инструмента посредством устройства, на верхней части корпуса которого подвижно на планках из антифрикционного материала, выполняющих функции подшипников скольжения, установлена прямоугольная плита для закрепления на ней заготовки, при этом на нижнем торце плиты закрепляют кронштейн, жестко соединенный с волноводом, входящим в механизм импульсного нагружения для колебательного движения заготовки в поперечном направлении в виде гидравлического генератора импульсов, боек которого устанавливают с возможностью воздействия на волновод с обеспечением поперечных колебаний плиты, для ориентации движения в горизонтальной плоскости которой используют направляющие планки с регулировочными винтами, при этом посредством винтовой цилиндрической пружины сжатия механизма импульсного нагружения возвращают плиту с заготовкой, кронштейн и волновод после удара по нему бойка в первоначальное положение.