УСТРОЙСТВО ПРЕЦИЗИОННОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована для чистового точения и прецизионной обработки поверхностей металлических изделий.
Известно устройство для безабразивной ультразвуковой прецизионной обработки и чистового точения поверхностей сложного профиля (патент РФ №2317187, В24В 39/00, опубл. 2008.02.20). Устройство содержит излучатель с рабочим наконечником на его торце, корпус, в котором установлены преобразователь и соединенный с последним концентратор, державку с осью, волновод, закрепленный на торцевой части концентратора, поджимающую пружину и расположенные параллельно друг другу две пружины. Упомянутые две пружины установлены на противоположных сторонах державки, перпендикулярно продольной оси акустической системы и выполнены съемно-регулируемыми. Излучатель ультразвука выполнен со съемным рабочим наконечником на его торце для прецизионной обработки или чистового точения обрабатываемой поверхности и закреплен конце волновода.
Недостатками этого известного устройства являются то, что оно не дает возможности прямого контроля процесса резания и совмещения операции установки нуля и процесса предварительного определения геометрии обрабатываемой поверхности.
Известно устройство для чистового точения поверхностей и прецизионной обработки поверхностей деталей ультразвуком (патент РФ №2238839, В24В 39/00, В24В 39/04, опубл. 2004.10.27). В известном устройстве для чистового точения и прецизионной обработки поверхностей деталей ультразвуком торец излучателя выполнен в виде рабочего наконечника, а устройство снабжено резцом для чистового точения и упорным стержнем, предназначенным для демпфирования вредных колебаний, возникающих в процессе обработки деталей, и упрочнения поверхностей деталей путем насыщения их высокодисперсными материалами, при этом резец для чистового точения расположен перед излучателем ультразвука по ходу их движения вдоль обрабатываемой поверхности и закреплен в приливе на корпусе акустической системы, а упорный стержень, на торце которого, со стороны обрабатываемой поверхности, закреплен заменяемый контактный элемент, расположен за излучателем ультразвука и закреплен в приливе, предназначенном для крепления акустической системы к станку.
Недостатками этого известного устройства являются то, что оно также не дает возможности прямого контроля процесса резания и совмещения операции установки нуля и процесса предварительного определения геометрии обрабатываемой поверхности.
Задачей данной полезной модели является расширение технологических возможностей предлагаемого устройства, которые позволяют осуществлять:
- прямой контроль процесса резания,
- контроль процесса в условиях изменения температуры и размеров режущей кромки резца,
- возможность управлять процессом резания, «мгновенно» изменяя положение с помощью магнитостриктора (15-20 мкм) на основе пермендюра,
- возможность совмещения операции установки нуля и процесса предварительного определения геометрии обрабатываемой поверхности
Указанный технический эффект достигается тем, что устройство прецизионного позиционирования при обработке поверхности металлического изделия содержит: корпус, предназначенный для крепления к станку, расположенные в корпусе: магнитострикционный преобразователь, соединенный с ним концентратор, на торце которого закреплен резец, при этом устройство дополнительно содержит, по крайней мере, один пьезоэлектрический преобразователь, установленный внутри концентратора и дистанционный индикатор активных дефектов (ДИАД), направленный излучателем и приемником (СВЧ сенсором) в сторону обрабатываемой металлической поверхности, первый выход устройства обработки ДИАД соединен с обмоткой магнитострикционного преобразователя, а второй выход ДИАД соединен с пьезоэлектрическим преобразователем.
Работа предлагаемого устройства основана на измерении поверхностного состояния металла при воздействии на этот металл усилиями, приводящими к пластической деформации вплоть до разрушения. Измерение вариаций поверхностного состояния с помощью сверх высоких частот (СВЧ) диапазона 10-40 ГГц позволяет контролировать процесс механического воздействия. Использование разработанной установки дистанционной индикации активных дефектов (ДИАД) (В.И.Горбунов, В.А.Суторихин. Возможности контроля предела упругих деформаций СВЧ методом. Дефектоскопия, №7, 1999 г, С.75-80; подана заявки на полезную модель №2008132177) позволило получить новые, неизвестные ранее результаты, а именно ДИАД позволяет диагностировать процесс разрушения металла при резании. Диагностирование с помощью ДИАД позволяет:
- «мгновенно» измерять усилия прижатия, по амплитуде полезного сигнала ДИАД;
- регулировать эту амплитуду путем механического перемещения резца (режущей кромки) за счет изменения длины магнитостриктора - изменением тока подмагничивания магнитостриктора, при этом гарантировано снятие стружки без каких-либо дополнительных расчетов, учитывающих, например, упругие свойства детали и резца, температурные изменения, основываясь только на амплитуде сигнала от СВЧ сенсора (входящего в комплект ДИАД) реагирующего только на сигнал механического разрушения металла;
- «установку нуля» перед началом операции резания и при соответствующей программе, заложенной в блоке обработки ДИАД;
- выполнить предварительный контроль геометрической поверхности обрабатываемой заготовки путем перемещения суппорта станка с резцедержателем, удерживающим предлагаемое устройство с одновременной записью изменений тока подмагничивания (пересчитанного по программе в механическое перемещение режущей кромки резца).
Пьезоэлектрический преобразователь, подключенный ко второму выходу ДИАД выполняет функцию генерации механических колебаний, передаваемых через концентратор на режущую кромку резца. При касании режущей кромки с поверхностью обработки происходит разрушение поверхности детали. Причем, разрушение на глубину единиц микрон производит модуляцию поверхностного состояния («скин слоя») детали.
Сущность этого явления состоит в том, что при наличии в металле зоны с достаточно высоким градиентом деформации, на поверхности металла регистрируется появление соответствующего дополнительного электрического заряда, величина которого прямо пропорциональна этому градиенту. Очевидно, что этот дополнительный поверхностный заряд приводит к изменению поверхностной электрической проводимости скин-слоя, и если градиент деформации носит периодический характер, то и проводимость скин-слоя станет периодически меняться, т.е. будет динамической (В.Васильев и В.Любошитц. Теорема вириала и некоторые свойства электронного газа в металлах. Успехи физических наук, 4(264), С.367-374, 1994 г.). При заглублении режущей кромки более 10 микрон модуляция поверхностного состояния значительно уменьшается, поскольку ультразвуковая волна перестает вносить значительный вклад в процесс механического разрушения металла, почти полностью переходит в металл детали, образую стоячую волну ультразвука. Таким образом, разрушение тонкого поверхностного слоя металла с участием ультразвуковой волны служит сигналом преобразующим ультразвуковые колебания резца в модуляцию поверхностного состояния обрабатываемой детали - полезным сигналом для СВЧ сенсора ДИАД. Следует добавить, что скорость распространения изменений «скин слоя» равна скорости света, поэтому контроль ее изменений можно вести практически в любой доступной точке поверхности детали, а не только в области резания.
Предложенное устройство, схема которого изображена на фиг., приложенном к описанию содержит корпус 1, магнитостриктор 2 с обмоткой подмагничивания, концентратор 3, резец 4, пьезоэлектрический преобразователь 5, установка ДИАД 6, заготовка 7, резцедержатель 8.
При этом первый выход ДИАД соединен с обмоткой подмагничивания магнитостриктора 2, а выход 2 ДИАД соединен с пьезоэлектрическим преобразователем 4.
Устройство работает следующим образом.
Резцедержатель 8 с зажатым в нем корпусом 1 и магнитостриктором, концентратором и резцом плавно подводится с помощью механического привода к вращающейся поверхности заготовки 7 и механического перемещения суппорта с резцедержателем в горизонтальной плоскости. Одновременно ток подмагничивания с первого выхода ДИАД устанавливается максимальным (95-100 мА), а ультразвуковой сигнал с выхода 2 ДИАД (40-90 КГц) возбуждает режущую кромку резца с амплитудой 1,5-2 микрона. Размер магнитостриктора максимален в этот момент. При касании режущей кромки резца 4 поверхности заготовки 7 происходит разрушение поверхностного слоя и модуляция «скин слоя» с частотой ультразвука, полезный сигнал поступает в приемную часть СВЧ сенсора ДИАД и преобразуется устройством в сигнал снижения тока подмагничивания - уменьшает размер магнитостриктора и дает сигнал о прекращении работы механического привода подачи «глубины» резца, начала режима автоматической подачи, устройство памяти ДИАД записывает полученный ток подмагничивания, и пересчитывает его в изменение размеров магнитостриктора, фиксируя положение «нуля».
Последующая работа устройства может происходить в режиме измерения геометрических параметров заготовки или режиме резания по заданной программе. Если включен режим измерения - режущая кромка резца 4 врезается в деталь 7 так, чтобы полученный полезный сигнал сенсора ДИАД не превышал минимально возможного уровня (20-23 дБ над уровнем шума), причем ток подмагничивания с первого выхода ДИАД 6 все время отрабатывает этот уровень наименьшего воздействия. Глубина резания составляет в этом случае 0,3-0,5 микрона. Устройство управления ДИАД, обеспеченное информацией о скорости вращения детали и скорости перемещения суппорта производит запись в память вместе с полученной информацией о движении детали и суппорта.
В случае включения режима резания уровень полезного сигнала сенсора ДИАД 6, от воздействия режущей кромки резца 4 принимается максимальным (36-40 дБ над уровнем шума), а ток подмагничивания поддерживается такого уровня, чтобы выполнить это условие. Глубина резания в этом случае достигает 1-1,5 микрон. В случае заданного программой резания по определенной геометрической линии (поверхности) уровень тока подмагничивания принимает соответствующее значение. Режущая кромка резца может изменить свою температуру или геометрию, магнитостриктор 2 в любом случае подаст резец 4 на нужную глубину, обеспечивая заданный режим резания.
Принимая во внимание полученные экспериментальные результаты, авторы полагают, что предлагаемое устройство относится к устройствам нанотехнологии.
Представленные экспериментальные результаты, полученные с использованием новой установки ДИАД и макета режущего инструмента, позволяют надеяться на интерес специалистов в области получения точности обработки металлических поверхностей не хуже 13-14 класса.
Отметим еще раз отличительные преимущества представленного устройства
- прямой контроль процесса резания (разрушения металла),
- контроль процесса в условиях изменения температуры и размеров режущей кромки резца,
- возможность управлять процессом резания, «мгновенно» изменяя положение с помощью с помощью магнитостриктора (15-20 мкм) на основе пермендюра,
- возможность совмещения операции установки нуля и процесса предварительного определения геометрии обрабатываемой поверхности из-за полного соответствия уровня сигнала от СВЧ сенсора уровню мощности резания.