СПОСОБ ВИБРАЦИОННОГО ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ
METHOD OF VIBRATION FLAT GRINDING

Изобретение относится к технологии машиностроения к механической обработке трудношлифуемых металлов и сплавов, склонных к прижогам и микротрещинам, алмазно-абразивным инструментом и может быть использовано при шлифовании и полировании плоских поверхностей.
Известен способ и устройство для закрепления заготовок из ферромагнитных материалов при обработке на плоскошлифовальных станках - электромагнитная прямоугольная плиты по ГОСТ 17519-81 или плита с постоянными магнитами по ГОСТ 16528-81 [1].
Недостатками известного способа и устройства являются узкие технологические возможности, не позволяющие увеличить производительность, повысить эффективность процесса и улучшить качество изготовляемой продукции.
Известен способ шлифования, включающий непрерывное наложение на заготовку через обрабатываемую поверхность в направлении нормали ультразвуковых колебаний, при этом заготовке сообщают колебания, модулированные по частоте [2].
Недостатком известного способа является не эффективное повышение интенсификации процесса, дающее не высокое повышение производительности, и качество изготовляемой продукции ввиду того, что ультразвуковая обработка ведется на частотах 15…50 кГц и амплитудой в несколько единиц мкм [3]. 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 обрабатываемым заготовкам низкочастотных, не зависящих от частоты вращения инструмента крутильных колебаний, повышение интенсификации процесса шлифования за счет осуществления резания не только передними, но и боковыми и задними гранями алмазно-абразивных зерен, а также за счет увеличения зоны контакта инструмента с заготовкой, позволяющей экономно расходовать алмазно-абразивный материал.
Поставленная задача решается предлагаемым способом вибрационного плоского шлифования, включающим сообщение инструменту вращательного движение и поперечной подачи на каждый двойной ход стола с заготовками, а столу с заготовкам сообщают продольную возвратно-поступательную подачу, при этом заготовкам дополнительно сообщают крутильные вибрационные движения, для чего используют устройство, содержащее корпус, нижняя часть которого выполнена с возможностью закрепления на столе станка, а верхняя часть выполнена с возможностью установки на ней обрабатываемых заготовок, причем на верхней части подвижно на шайбе, выполняющей функции подшипника скольжения, торцом установлена круглая плита, по периферии с зазором закрепленная кольцами, при этом в центре плиты со стороны нижнего торца расточено глухое отверстие, в котором на подшипнике установлена эксцентриковая шейка верхнего конца вала привода крутильных колебаний, в состав которого входят: подшипниковый узел, расположенный в центральном отверстии корпуса и являющийся опорой вала привода, поддерживающий его за среднюю часть, и шкив клиноременной передачи, передающий вращение валу привода и неподвижно закрепленный на нижнем конце вала привода.
Особенности предлагаемого способа вибрационного плоского шлифования поясняются чертежами.
И
З
Σ
На фиг.1 изображена схема плоского шлифования периферией круга плоской поверхности заготовки предлагаемым способом с использованием вибрационного устройства; на фиг.2 - схема плоского шлифования периферией круга плоской поверхности заготовки предлагаемым способом с использованием вибрационного устройства, вид сверху по В на фиг.1; на фиг.3 - вибрационное устройство, реализующее предлагаемый способ, вид спереди, частичный продольный разрез; на фиг.4 - вид сверху по А на фиг.3; на фиг.5 - вид снизу по Б на фиг.3; на фиг.6 - траектория движения точки Г шлифуемой поверхности заготовки за один полный цикл крутильного колебательного вибрационного движения с наложением векторной диаграммы скоростей, действующих на абразивное зерно инструмента V и на обрабатываемую заготовку V с их суммированием V в восьми положениях через каждые 45°.
И
ПОП
пр
З
В
Предлагаемый способ предназначен для вибрационного плоского шлифования и включает сообщение инструменту вращательного движение V и поперечной подачи S на каждый двойной ход стола с заготовками, а столу с заготовками сообщают продольную возвратно-поступательную подачу S, при этом заготовкам сообщают дополнительное крутильное вибрационное движение со скоростью V и амплитудой A (см. фиг.1-2).
Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, содержащего 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 шайбе 4, выполняющей функции подшипника скольжения, торцом установлена круглая плиты 5. Шайба 4 изготовлена из антифрикционного материала, например оловянно-фосфористой литейной бронзы Бр. ОФ10-1 (по ОСТ 1.90054-72).
По периферии плита 5 имеет выступ, позволяющий закрепить ее кольцами 6, 7 и болтами 8 с гарантированным зазором Z, дающий возможность свободного перемещения плиты в горизонтальной плоскости. Верхнее кольцо 7 на внутренней поверхности отверстия имеет резиновый уплотнитель 9, предохраняющий от попадания в зону сопряжения плиты 5 с шайбой 4 отработанного шлама.
В центре плиты 5 со стороны нижнего торца расточено глухое отверстие, в котором на подшипнике 10 установлена эксцентриковая шейка верхнего конца вала 11 привода крутильных колебаний (последний не показан). В состав привода входит подшипниковый узел 12, расположенный в центральном отверстии корпуса и являющийся опорой вала привода, поддерживающий его за среднюю часть, и шкив 13 клиноременной передачи, передающий вращение валу привода и закрепленный на нижнем конце вала привода с помощью шпонки 14 и гайки 15.
в
в
При вращении шкива от привода крутильных колебаний (не показан) ось верхней шейки вала, эксцентрично смещенной на величину эксцентриситета E, относительно общей центральной оси вала, будет описывать окружность диаметром A=2E. Вместе с эксцентриковой шейкой вала крутильные вибрационные движения будет совершать плита с заготовками. Эти вибрации будут иметь амплитуду A и частоту f, равную частоте вращения шкива.
В
Вышеупомянутый гарантированный зазор Z между плитой и кольцами, дающий возможность свободного перемещения плиты в горизонтальной плоскости, должен быть не менее удвоенной величины амплитуды крутильных колебаний плиты с заготовками, т.е. Z>2A мм.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
Способ и устройство применимы для плоского шлифования при работе как торцом, так и периферией круга, но данное описание относится к плоскому шлифованию периферией круга на плоскошлифовальном станке с крестовым (прямоугольным) столом, например, мод. 3Е711В-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 предлагаемого устройства, или другое известное станочное приспособление [1, с.66…110].
р
Нагрузка врезания, действующая по нормали на обрабатываемую поверхность заготовки, создается механизмами станка подачей S (см. фиг.1-2), как при традиционном плоском шлифовании. Выбор величины нагрузки врезания и глубины резания зависит от конкретных условий обработки и технических требований к обрабатываемой поверхности.
пр
И
поп
При плоском шлифовании заготовка вместе со столом совершает возвратно-поступательные движения S, при этом инструменту сообщают вращательное движение V и поперечную подачу S на каждый двойной ход стола.
в
в
При вращении шкива от привода крутильных колебаний (не показан) верхняя плита устройства с заготовками будет описывать окружность диаметром A относительно вертикальной оси, т.е. совершать крутильные вибрационные колебания с амплитудой А (мм) и частотой f (Гц), равной частоте вращения шкива привода крутильных колебаний.
ПР
з
и
Σ
В результате наложения на возвратно-поступательное движение стола станка с заготовками со скоростью S крутильных вибрационных колебаний со скоростью V плиты создается перекрестное движение заготовки под алмазно-абразивными зернами инструмента относительно вектора скорости инструмента V и периодически изменяется величина и направление суммарной скорости резания V и сила трения (см. фиг.6). Происходит изменение направления скольжения обрабатываемой заготовки относительно шлифовального круга, и алмазно-абразивные зерна начинают работать как передними, так и боковыми, и задними гранями, а также изменяется в сторону увеличения интенсивность съема металла и ширина обработки за один проход. 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 заготовок.
пр
з
и
В результате совмещения продольного возвратно-поступательного движения со скоростью S устройства и крутильных вибрационных колебаний плиты с заготовками со скоростью V, а также вращательного движения инструмента V 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.
Улучшаются условия работы алмазно-абразивных зерен, уменьшается их износ, повышается интенсивность съема материала и размерная стойкость инструмента, создается благоприятная кинематика движения алмазно-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 при работе предлагаемым способом позволяет повысить режимы и производительность обработки в 2,5…3 раза без ухудшения качества обработанной поверхности.
Кроме того, в таких условиях стойкость инструмента возрастает до 2 раз, по сравнению со стойкостью при традиционной алмазно-абразивной обработке без наложения колебаний.
Предлагаемый способ позволяет повысить производительность также благодаря совмещению черновой и чистовой обработки.
При шлифовании мягкими шлифовальными кругами обеспечивается однотонная зеркально чистая поверхность с малой высотой неровностей.
Шлифование жесткими алмазно-абразивными кругами по предлагаемому способу не уступает по производительности высокоскоростному шлифованию и обеспечивает улучшение качества обработанной поверхности.
Таким образом, происходит интенсивно воздействующее на обрабатываемую поверхность шлифование с крутильными вибрационными колебаниями заготовки, которое существенно улучшает качество обработанной поверхности и повышает в несколько раз производительность.
в
-1
Проведены производственные испытания с использованием предлагаемого способа вибрационного плоского шлифования, реализуемого выше рассмотренным устройством, которое было установлено на плоскошлифовальный станок с крестовым (прямоугольным) столом мод. 3Е711В-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 данное устройство. Обработка проводилась с частотой вибраций f=10…100 Гц и величиной амплитуды вибрационных колебаний A=0,25…0,75 мм. В состав привода крутильных колебаний входил шаговый электродвигатель, позволяющий плавно регулировать частоту вращения эксцентрикового вала в широких пределах от 10…100 мин.
Значения технологических факторов (частоты вибраций, величины амплитуды вибрационных колебаний) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность вибрационного 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.
Опытное шлифование плоских заготовок предлагаемым способом позволяет стабильно получать шероховатость Ra=0,32 мкм по всей длине с 95% вероятностью и полном отсутствии следов «рубленности».
Способ расширяет технологические возможности плоского шлифования, повышает качество и производительность обработки за счет сообщения заготовкам низкочастотных, не зависящих от частоты вращения инструмента, крутильных вибрационных колебаний, интенсифицирует процесс шлифования и позволяет осуществлять резание не только передними, но и боковыми, и задними гранями алмазно-абразивных зерен, а также за счет увеличения зоны контакта инструмента с заготовкой, позволяющей экономно расходовать алмазно-абразивный материал.
Преимуществом способа является возможность плавного регулирования амплитуды осциллирующих движений обрабатывающих заготовок, что позволяет легко оптимизировать процесс обработки в производственных условиях при изменении обрабатываемого материала, химико-термической операции, режущего инструмента, технических условий, режимов резания.
Источники информации
1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. С.93-101.
2. Заявка на изобретение RU 2004129025/02. МПК B24B 1/04. Способ шлифования. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Чудинов М.А. 01.10.2004; 10.03.2006.
3. Хорбенко И.Г. Ультразвук в машиностроении. М., 1974.