Головка шлифовальная планетарная Российский патент 2022 года по МПК B24B41/04 B24B5/14 

Предлагаемое изобретение относится к области станкостроения и может быть использовано в вальцеобрабатывающих, в частности, в тяжелых вальцешлифовальных станках, предназначенных для обработки деталей в упорных центрах.

При обработке крупногабаритных, имеющих массу 20-50 тонн, деталей (например, прокатных валков) на вальцешлифовальных станках, деталь обычно закрепляют в упорных (невращающихся) центрах. В процессе вращения детали во время обработки происходит постепенное изнашивание центров и точность обработки становится неприемлемой. Центры нужно периодически снимать со станка и перешлифовывать на обычных круглошлифовальных станках, закрепляя в патроне станка.

Для перешлифовки, чаще всего, используют штатные шлифовальные бабки круглошлифовальных станков, описанные, в частности, в книге «Металлорежущие станки в 2 т. Т. 2 / В.В. Бушуев, А.В. Еремин, А.А. Какайло и др. Под ред. В.В. Бушуева. Т. 2 - Машиностроение, 2011» на стр. 284-285 и проиллюстрированные на рис. 11.18.

Указанные шлифовальные бабки, являющиеся аналогами предлагаемой, содержат шпиндельный узел (шпиндель, закрепленный в корпусе на подшипниках), шлифовальный круг, установленный на выходном конце шпинделя, шкив, установленный на хвостовике шпинделя, электродвигатель, соединенный со шкивом с помощью ременной передачи, и основание, на котором монтируется корпус шпиндельного узла и электродвигатель.

При использовании такой шлифовальной бабки-аналога, шлифовальный круг выполняют коническим, а бабку устанавливают на направляющих круглошлифовального станка так, чтобы ось вращения ее шпинделя была параллельна оси вращения, подлежащего перешлифовке центра, закрепленного в патроне станка. Далее двигатель бабки и двигатель вращения патрона круглошлифовального станка приводят в движение и, перемещая бабку по направляющим, производят перешлифовку. Завершив ее, упорный центр из патрона круглошлифовального станка извлекают, устанавливают на вальцешлифовальный станок, где он работал до перешлифовки, и эксплуатируют дальше.

В процессе перешлифовки упорного центра на круглошлифовальном станке с помощью шлифовальной бабки-аналога качество перешлифовки не всегда оказывается удовлетворительным. Это вызвано, во-первых, погрешностями установки и вращения перешлифовываемого центра на круглошлифовальном станке и, во-вторых, вибрациями шпинделя бабки, обусловленными работой ременной передачи (такая передача имеет принципиальную особенность - упругое скольжение ремней по шкиву, что влечет за собой скачкообразное трение).

Повысить качество перешлифовки можно, исключив ременную передачу. Это сделано путем изменения конструкции шпиндельной бабки-аналога и превращения ее в шлифовальную головку, описанную в той же книге («Металлорежущие станки в 2 т. Т. 2. Под ред. В.В. Бушуева.»), но на стр. 112, и проиллюстрированную рис. 4.14.

Эта шлифовальная головка включает в себя основание и установленный на нем корпус, электрошпиндель (мотор-шпиндель), размещенный внутри корпуса, и шлифовальный круг, закрепленный на выходном конце электрошпинделя.

Применяют подобную головку точно так же, как предыдущую бабку-аналог: шлифовальный круг делают коническим, головку устанавливают на круглошлифовальном станке, перешлифовываемый упорный центр закрепляют в патроне станка, а затем, вращая круг, осуществляют главное движение, требуемое для обработки, а вращая шпиндель станка производят окружную подачу обрабатываемого центра. Качество перешлифовки упорного центра с помощью описанной головки оказывается выше, чем при ранее рассмотренной бабки, поскольку исключена ременная передача. Вместе с тем остаются погрешности обработки, обусловленные установкой центра на круглошлифовальном станке. Это и погрешность базирования центра в патроне, и биение шпинделя круглошлифовального станка, и др. Повысить точность перешлифовки, однако, можно, если обрабатывать упорный центр, не снимая его с вальцешлифовального станка, где он обычно эксплуатируется. Но в таком случае шлифовальная головка, используемая при перешлифовке, должна быть усовершенствована - она должна обеспечивать и главное движение, требуемое для обработки (вращения круга относительно своей оси), и движение окружной подачи круга относительно оси перешлифовываемого центра, поскольку на вальцешлифовальном станке упорный центр не вращается. Перечисленному удовлетворяет планетарная шлифовальная головка («Я.Л. Либерман. Шлифовальная головка»), защищенная Патентом РФ на полезную модель №146910 от 22.09.2014. Головка, защищенная указанным патентом, содержит основание и установленный на нем корпус, электрошпиндель, размещенный внутри корпуса, и шлифовальный круг, закрепленный на выходном конце электрошпинделя. Она снабжена установленным внутри корпуса первым червяком и находящимся с ним в зацеплении первым червячным колесом, вторым червяком и находящимся с ним в зацеплении вторым червячным колесом, первым валом, на котором закреплено первое червячное колесо и второй червяк, вторым валом, на котором закреплено второе червячное колесо. Первый червяк соосно соединен с хвостовиком электрошпинделя, второй вал расположен параллельно оси электрошпинделя, выполнен с выступающим из корпуса концом и жестко соединен им с основанием, а корпус выполнен с возможностью вращения относительно второго вала и второго червячного колеса.

При использовании данной шлифовальной головки, ее основание устанавливают на направляющих вальцешлифовального станка так, чтобы второй вал и упорный центр вальцешлифовального станка, подлежащий перешлифовке, были соосны. Затем включают электрошпиндель и вращение круга и перемещают головку (основание вместе с корпусом) вдоль оси второго вала до получения нужной при перешлифовке упора глубины резания. При вращении электрошпинделя, движение от него передается на первый червяк. Он, в свою очередь, вращает первое колесо и первый вал. Вращение первого вала влечет за собой вращение второго червяка, а поскольку второе червячное колесо и его вал жестко соединены с основанием головки, второй червяк начинает обкатываться по второму колесу и вращать корпус головки. Круг при этом будет перемещаться вокруг шлифуемого центра. Таким образом, вращение круга вокруг своей оси будет являться главным движением перешлифовки центра, а перемещение корпуса головки вместе с кругом будет являться движением подачи. Когда перешлифовка будет завершена, точность ее окажется выше, чем при использовании других головок-аналогов, поскольку перешлифовываемый упорный центр не пришлось переставлять на обычный круглошлифовальный станок и приводить во вращение.

Несмотря, однако, на то, что рассмотренная головка обеспечивает более высокую точность перешлифовки центров, чем другие головки, она имеет существенный недостаток - недостаточную жесткость. Он обусловлен тем, что головка в процессе работы вращается вокруг второго вала, который закреплен на основании консольно. Но недостаточная жесткость - причина не всегда достаточной точности обработки. В связи с этим возникает задача дальнейшего повышения точности головки.

Решение этой задачи защищено Патентом РФ на полезную модель №154589 и обеспечивается тем, что планетарная шлифовальная головка, содержащая основание и установленный на нем корпус, электрошпиндель, размещенный внутри корпуса, и шлифовальный круг, закрепленный на выходном конце электрошпинделя, установленные внутри корпуса первый червяк и находящееся с ним в зацеплении первое червячное колесо, второй червяк и находящееся с ним в зацеплении второе червячное колесо, первый вал, на котором закреплены первое червячное колесо и второй червяк, второй вал, на котором закреплено второе червячное колесо, в которой первый червяк соосно соединен с хвостовиком электрошпинделя, второй вал расположен параллельно оси электрошпинделя, выполнен с выступающим из корпуса концом и жестко соединен им с основанием, а корпус выполнен с возможностью вращения относительно второго вала и второго червячного колеса, отличается от головки, защищенной патентом №146910, тем, что основание снабжено кольцевой направляющей, соосной со вторым валом, на корпусе соосно с направляющей установлена втулка с радиально закрепленными на ней спицами, размещенными с равномерным угловым шагом в плоскости, расположенной между электрошпинделем и шлифовальным кругом перпендикулярно оси втулки, на свободных концах спиц во взаимодействии с направляющей закреплены ролики, при этом одна из спиц снабжена соосным с электрошпинделем сквозным поперечным отверстием, в котором размещен выходной конец электрошпинделя.

Головка по патенту №154589 используется так же, как и предыдущая. Точность обработки упорных центров, обеспечиваемая ею, оказывается самой высокой из рассмотренных, но и она не лишена недостатков. Наиболее значимый из них состоит в том, что ее конструкция не позволяет регулировать окружную подачу шлифовального круга относительно скорости вращения последнего, что создает следующую проблему: вызывает повышенный износ шлифовального круга, и, при стремлении увеличить производительность шлифования, влечет за собой уменьшение срока службы круга и снижение качества обрабатываемой поверхности. Поскольку вращение головки вокруг своей оси (второго вала) осуществляется от электрошпинделя через две червячные пары с постоянным передаточным отношением, то указанная подача не может быть изменена. Чтобы изменить скорость вращения головки относительно шлифуемого центра, нужно изменить скорость вращения круга. Между тем необходимость более свободного регулирования скорости вращения круга и окружной подачи при эксплуатации головки зачастую возникает. Характерный пример - шлифование упорного центра после его восстановления наплавкой. Такое шлифование требуется производить, по крайней мере, в три этапа. Вначале при высокой скорости вращения круга и малой окружной подаче нужно выполнить черновую обработку типа обдирки. Затем следует получистовая обработка с высокой скоростью круга и несколько увеличенной подачей. После этого - чистовое шлифование с высокой скоростью и большой подачей (выглаживание).

Последняя из головок, описанных выше, принята нами за прототип предлагаемой, а предлагаемая - предназначена решить описанную проблему, а именно, устранить невозможность регулирования при ее эксплуатации соотношения окружной подачи круга и скорости круга, и как следствие, - обеспечить повышение долговечности круга и улучшение качества обрабатываемой поверхности.

Технически решение сформулированной проблемы реализуется за счет того, что головка планетарная шлифовальная, содержащая основание и установленный на нем корпус, электрошпиндель, размещенный внутри корпуса, и шлифовальный круг, закрепленный на выходном конце электрошпинделя, установленные внутри корпуса первый червяк и находящееся с ним в зацеплении первое червячное колесо, второй червяк и находящееся с ним в зацеплении второе червячное колесо, первый вал, на котором закреплены первое червячное колесо, и второй червяк, второй вал, на котором закреплено второе червячное колесо, первый червяк соосно соединен с хвостовиком электрошпинделя, второй вал расположен параллельно оси электрошпинделя и выполнен с выступающим из корпуса концом, корпус выполнен с возможностью вращения относительно второго вала и второго червячного колеса, основание снабжено кольцевой направляющей, соосной со вторым валом, на корпусе соосно с направляющей установлена втулка с радиально закрепленными на ней спицами, размещенными с равномерным угловым шагом в плоскости, расположенной между электрошпинделем и шлифовальным кругом перпендикулярно оси втулки, на свободных концах спиц во взаимодействии с направляющей закреплены ролики, причем одна из спиц снабжена соосным с электрошпинделем сквозным поперечным отверстием, в котором размещен выходной конец электрошпинделя, отличается от прототипа тем, что она дополнительно снабжена датчиком импульсов, установленным на корпусе головки и кинематически связанным с первым червяком, программируемым делителем частоты импульсов, вход которого соединен с выходом датчика импульсов, шаговым электродвигателем, статор которого жестко соединен с основанием, а ротор кинематически связан с выступающими из корпуса концом второго вала, кольцевым распределителем импульсов, соединенным с обмотками статора шагового двигателя через усилитель мощности, и управляемым блоком реверсирования двигателя, вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выходы - с кольцевым распределителем.

На фиг. 1. показана схема предлагаемой шлифовальной головки.

Головка содержит основание 1 и установленный на нем корпус 2, электрошпиндель 3, размещенный внутри корпуса 2, и шлифовальный круг 4, закрепленный на выходном конце электрошпинделя 3. Она также снабжена установленным внутри корпуса 2 первым червяком 5 и находящимся с ним в зацеплении первым червячным колесом 6, вторым червяком 7 и находящимся с ним в зацеплении вторым червячным колесом 8, первым валом 9, на котором закреплены первое червячное колесо 6 и второй червяк 7, вторым валом 10, на котором закреплено второе червячное колесо 8. Первый червяк 5 соосно соединен с хвостовиком электрошпинделя 3, второй вал 10, расположен параллельно оси электрошпинделя 3, выполнен с выступающим из корпуса концом, а корпус 2 выполнен с возможностью вращения относительно второго вала 10 и второго червячного колеса 8. Основание 1 снабжено кольцевой направляющей 11, соосной со вторым валом 10, на корпусе 2 соосно с направляющей 11 установлена втулка 12 с радиально закрепленными на ней спицами 13, размещенными с равномерным угловым шагом в плоскости, расположенный между электрошпинделем 3 и шлифовальным кругом 4 перпендикулярно оси втулки 12, на свободных концах спиц во взаимодействии с направляющей 11 закреплены ролики 14, причем одна из спиц 13 снабжена соосным с электрошпинделем 3 сквозным поперечным отверстием, в котором размещен выходной конец электрошпинделя. С первым червяком 5 кинематически связан датчик импульсов 15, корпус которого установлен на корпусе 2 головки, а выход связан со входом программируемого делителя частоты импульсов 16. Головка содержит также шаговый электродвигатель 17, статор которого жестко соединен с основанием 1, а ротор кинематически связан с выступающим из корпуса 2 концом вала 10. С обмотками статора двигателя 17 соединен кольцевой распределитель импульсов 18 (соединение выполнено через усилитель мощности 19). Входы распределителя 18 при этом соединены с выходами управляющего блока реверсирования двигателя 20, а вход блока 20 соединен с выходом программируемого делителя 16.

Все перечисленные элементы имеют общеизвестную конструкцию. Распределитель 18, например, строится на основе реверсивного кольцевого регистра сдвига, делитель частоты 16 - на основе двоичного счетчика импульсов, блок реверсирования двигателя 20 - из типовых элементов «И» и «И - НЕ» («Запрет»). Элементы 16, 18, 19 и 20, подобно статору двигателя 17, смонтированы на основании 1, а датчик 15 - на корпусе 2 головки. Соединение датчика с делителем 16 выполнено через коллектор, который на фиг. 1 условно не показан.

При использовании предлагаемой планетарной шлифовальной головки ее основание 1 устанавливают на направляющих вальцешлифовального станка так, чтобы вал 10 и упорный центр (на фиг. 1 он изображен штриховыми линиями) вальцешлифовального станка, подлежащий перешлифовке, были соосны. После этого, исходя из скорости вращения (электрошпинделя) шлифовального круга n₁(об/мин) определяют и вводят в делитель частоты импульсов 16 коэффициент деления А, необходимой для настройки окружной подачи головки n₂ (об/мин). При этом используют формулу

где i - передаточное число кинематической цепи от червяка 5 к колесу 8, δ₁ - угловая дискретность датчика 15, δ₂ - угловая дискретность шагового электродвигателя. Далее, также в зависимости от необходимой величины окружной подачи, в блок 20 вводят команду управления В («ноль» и «единицу»), заставляющую импульсы, которые в дальнейшем будут поступать на вход этого блока от делителя 16, проходить на его выход «a» или на выход «b»(этим определится знак «+» или «-» в приведенной выше формуле). Затем включают электрошпиндель 3 и вращение круга 4 и перемещают головку (основание 1 вместе с корпусом 2) вдоль оси второго вала 10 до получения нужной при перешлифовке упора глубины резания. При вращении электрошпинделя 3, движение от него передается на червяк 5. Он, в свою очередь, вращает колесо 6 и вал 9. Вращение вала 9 влечет за собой вращение червяка 7, а поскольку червячное колесо 8 установлено на валу 10, червяк 7 начинает обкатываться по колесу 8 и вращать корпус 2 головки на валу 10. Одновременно с этим от датчика 15 начнут поступать импульсы на делитель 16 и далее через блок реверсирования двигателя 20 - на его выходы «а» или «b». С того или иного из этих выходов импульсы поступят на соответствующий вход кольцевого распределителя 18. Если они поступают на распределитель 18 с выхода «а» блока 20, то на выходах распределителя они будут появляться «по часовой стрелке». Если с выхода «b», - то «против часовой стрелки». Усиленные усилителем 19 они будут поступать на обмотки статора шагового двигателя 17, а тот будет вращать вал 10 «вперед» или «назад». Корпус 2 головки и круг 4 будет поворачиваться относительно основания 1 и вокруг шлифовального центра с окружной подачей, равной сумме двух движений: обусловленного кинематической цепью из механических элементов 5, 6, 7, 8 и создаваемого электронными элементами 15, 16, 17, 18, 19 и 20. Перепрограммируя коэффициент А и изменяя команду В, можно регулировать окружную подачу шлифовального круга 4 требуемым образом.

Пусть, например, i=100, δ₁=1°, δ₂=1,5°, n₁=2000 об/мин. Предположим, что нужно выполнить черновую обработку упорного центра после наплавки. Примем В, обеспечивающее в формуле знак «+», и А=60. Тогда

Настроив головку на соответствующие А и В, проведем черновую обработку центра. Введем далее в делитель 16 коэффициент деления А=40. Получим

С такой окружной подачей можно провести получистовое шлифование. Если теперь задать коэффициент деления А=30, то получим

С такой окружной подачей можно выполнять чистовую обработку с высоким качеством поверхности центра.

Из изложенного видно, что предложенная «Головка шлифовальная планетарная» позволяет производить обработку, выбирая малую окружную подачу круга при черновом шлифовании и большую - при чистовом. Это увеличивает долговечность шлифовального круга и повышает качество поверхности шлифуемых упорных центров, что является техническим результатом предложения. Указанный технический результат усиливается еще тем, что при изменениях или колебаниях скорости вращения круга из-за флюктуации сил резания или питающего напряжения соотношение настроенной окружной подачи и скорости круга не меняется, то есть, имеет место эффект стабилизации процесса обработки.

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано для перешлифовки упорных центров вальцешлифовальных станков. Головка содержит основание и установленный на нем корпус, электрошпиндель, размещенный внутри корпуса, и шлифовальный круг, закрепленный на выходном конце электрошпинделя. Внутри корпуса установлены первый червяк и находящееся с ним в зацеплении первое червячное колесо, второй червяк и находящееся с ним в зацеплении второе червячное колесо. Головка снабжена датчиком импульсов, кинематически связанным с первым червяком, программируемым делителем частоты импульсов, вход которого соединен с датчиком импульсов, шаговым электродвигателем, статор которого жестко соединен с основанием, а ротор кинематически связан с выступающим из корпуса концом второго вала, кольцевым распределителем импульсов, соединенным с обмотками статора шагового двигателя через усилитель мощности, и управляемым блоком реверсирования шагового двигателя. Обеспечивается регулирование окружной подачи головки, повышается долговечность шлифовального круга и качество обрабатываемой поверхности. 1 ил.

Головка шлифовальная планетарная, содержащая основание и установленный на нем корпус, электрошпиндель, размещенный внутри корпуса, шлифовальный круг, закрепленный на выходном конце электрошпинделя, установленные внутри корпуса первый червяк и находящийся с ним в зацеплении первое червячное колесо, второй червяк и находящееся с ним в зацеплении второе червячное колесо, первый вал, на котором закреплены первое червячное колесо и второй червяк, второй вал, на котором закреплено второе червячное колесо, при этом первый червяк соосно соединен с хвостовиком электрошпинделя, второй вал расположен параллельно оси электрошпинделя и выполнен с выступающим из корпуса концом, причем корпус выполнен с возможностью вращения относительно второго вала и второго червячного колеса, основание снабжено кольцевой направляющей, соосной со вторым валом, на корпусе соосно с направляющей установлена втулка с радиально закрепленными на ней спицами, размещенными с равным угловым шагом в плоскости, расположенной между электрошпинделем и шлифовальным кругом перпендикулярно оси втулки, на свободных концах спиц во взаимодействии с направляющей закреплены ролики, причем одна из спиц снабжена соосным с электрошпинделем сквозным поперечным отверстием, в котором размещен выходной конец электрошпинделя, отличающаяся тем, что она снабжена датчиком импульсов, установленным на корпусе головки, кинематически связанным с первым червяком и программируемым делителем частоты импульсов, вход которого соединен с выходом датчика импульсов, шаговым электродвигателем, статор которого жестко соединен с основанием, а ротор кинематически связан с выступающим из корпуса концом второго вала, кольцевым распределителем импульсов, соединенным с обмотками статора шагового электродвигателя через усилитель мощности, и управляемым блоком реверсирования двигателя, вход которого соединен с выходом делителя частоты импульсов, а выходы - с кольцевым распределителем.