СБОРНАЯ СЕКЦИОННАЯ ПРОТЯЖКА ДЛЯ ОБТОЧКИ ИЗДЕЛИЙ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ
COMPLEX SECTIONAL BROACH FOR TURNING OF ITEMS, MOSTLY CRANKSHAFTS

Изобретение относится к области металлообработки, точнее к составному комбинированному инструменту, предназначенному для обточки протягиванием тел вращения, преимущественно коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, включая их шатунные шейки и поверхности балансиров.
Известна сборная секционная протяжка для обточки протягиванием тел вращения (SU 1726168, 1992 г.), содержащая несколько установленных на общем основании секций, на корпусах которых жестко закреплены обрабатывающие модули с лезвийным режущим и зачищающим инструментом в виде многогранных твердосплавных пластин, установленных в определенном порядке по отношению к продольной оси модуля для оптимизации силовой динамики протягивания. Однако из-за однотипности используемого инструмента технологические возможности такой протяжки ограничены практически двумя функциями: режущей и зачищающей. По этой же причине она нетехнологична в изготовлении, неэкономична из-за использования дорогостоящих твердосплавных материалов, качество обработанных ею поверхностей снижено из-за вероятности огранки в поперечном сечении и дополнительной погрешности в продольном сечении.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является сборная секционная протяжка для обточки протягиванием коленвалов (RU 2028884, 1995 г.), технологические возможности которой несколько расширены. В ней секции своими корпусами закреплены на общем основании в последовательности, определяемой технологией обработки, и содержат обрабатывающие модули с монолитными или составными инструментами для черновых, чистовых и финишных операций металлообработки. Так, протяжка содержит стружкоделительную секцию с инструментом в виде ряда шлицев; режущую секцию с пластинами, выполненными призматическими с двумя боковыми режущими кромками; выглаживающую секцию с набором увеличивающихся по высоте элементов в виде параллелепипеда и секцию с шариковым инструментом для нанесения на обрабатываемую поверхность изделия регулярного микрорельефа, улучшающего эксплуатационные показатели изделия. Качество обработки поверхностей такой протяжкой повышено по сравнению с первым аналогом за счет исключения огранки. Благодаря наличию стружкоделительной секции в ней улучшены условия обработки, в частности процесс стружкообразования при работе режущей секции. Однако типовой ряд используемого в прототипе инструмента недостаточно расширен, включает в себя лезвийный инструмент, имеющий ограничения по твердости обрабатываемых заготовок и сложный в изготовлении, а обрабатывающие модули с инструментами во всех секциях, кроме последней, жестко закреплены на основаниях (или выполнены заодно), что не позволяет сообщать инструменту дополнительные рабочие перемещения в процессе обработки, необходимые для интенсификации ее режимов. Подвижный в последней секции обрабатывающий модуль дополнительную интенсификацию режимов резания не обеспечивает из-за специфичности выполняемой функции и соответствующего инструмента. Неэффективная кинематика обработки (однолинейная) наряду с ограниченными режимами обработки и номенклатурой инструмента, а также отсутствием средств компенсации ударной нагрузки на инструмент в прототипе ограничивают функциональные возможности протяжки, что препятствует широкому, достаточному для современного уровня требований, расширению технологических возможностей перспективного процесса токарного протягивания, снижают его производительность.
Задача, решаемая изобретением, направлена на создание инструмента для обточки протяжкой (токарного протягивания) тел вращения, обеспечивающего высокое качество и производительность, а также экономичность обработки различных по материалу и конфигурации изделий, в т.ч. таких специфичных в обработке, как коленвалы ДВС.
Технический результат, получаемый от реализации изобретения, состоит в расширении диапазона технологических и функциональных возможностей протяжки и повышении качества получаемых изделий путем повышения эффективности кинематики обработки и интенсификации ее режимов, а также расширения типового ряда используемого инструмента, в т.ч. простого и экономичного в изготовлении, износостойкого, с высокими режущими способностями.
Для достижения технического результата сборная секционная протяжка для обточки изделий, преимущественно коленчатых валов, в которой секции, закрепленные на общем основании в определяемой технологией обработки последовательности, имеют корпуса и обрабатывающие модули с монолитными или составными инструментами для черновых, чистовых и финишных операций обработки, в соответствии с изобретением содержит металлообрабатывающие секции, по меньшей мере одну, в которых обрабатывающие модули выполнены с абразивным инструментом, металлообрабатывающие секции, по меньшей мере одну, в которых обрабатывающие модули выполнены с металлическим, например из быстрорежущей стали, инструментом, смазочные секции, по меньшей мере одну, для нанесения смазочного материала на обрабатываемую поверхность изделия, и в ней обрабатывающие модули металлообрабатывающих секций выполнены с возможностью дополнительных технологических перемещений в плоскости обработки относительно основания и снабжены средством компенсации ударных нагрузок на инструмент в процессе обработки в виде упругих элементов, установленных так, что действие их упругих сил направлено по нормали к касательной линии в точке контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью изделия.
Дополнительные существенные отличительные признаки изобретения состоят в том, что:
- абразивный инструмент выполнен в виде монолитного бруса с переменным вдоль направления подачи сечением с образованием заборного и калибрующего участков и с прерывистым рельефом наружной рабочей поверхности или в виде монолитного диска также с прерывистым рельефом на торцевой рабочей поверхности;
- абразивный инструмент выполнен составным в виде кассеты из вертикально установленных упругих лепестков;
о
в
о
в
- в инструменте используются абразивные режущие зерна, форма которых подчиняется соотношению Д/Д=(1,5…2), где: Д и Д - диаметр описанной и вписанной сферы;
- абразивный инструмент снабжен средством дополнительной интенсификации обработки в виде наполнителя между абразивными зернами, например, графита, серы, медного порошка, термитов;
- металлический инструмент выполнен в виде монолитного бруса с переменным вдоль направления подачи микрорельефом с образованием деформирующего, режущего и выглаживающего участков на заборной и калибрующих частях наружной рабочей поверхности;
- металлический инструмент составлен из продольных зубчатых реек в виде бруса с расположением режущих граней в шахматном порядке;
- металлический инструмент выполнен составным в виде кассеты из ряда вертикально установленных натирающих пластин;
- металлический инструмент выполнен составным в виде кассеты из вертикальных режущих или деформирующих элементов, которые могут быть игольчатыми, столбиковыми, шариковыми, проволочными;
- инструмент смазочной секции выполнен из пористого материала;
- обрабатывающий модуль выполнен в виде несущего инструмент одноплечего рычага, подпружиненного относительно корпуса секции, причем рычаг может быть выполнен составным, состоящим из основания и двухслойных инструментальных наплавок, желобы которых с канавками регулярного микрорельефа выполнены по траектории главных напряжений, возникающих при работе инструмента;
- обрабатывающий модуль выполнен в виде приводной вращающейся головки;
- обрабатывающий модуль выполнен в виде приводной осциллирующей головки.
Выполнение обрабатывающих модулей с возможностью дополнительных технологических перемещений относительно основания протяжки позволяет увеличить производительность обработки за счет интенсификации ее режимов и комбинированной схемы работы инструмента, а также расширяет функциональные возможности протяжки путем расширения диапазона выполняемых ею операций, в т.ч. и таких, которые способствуют повышению эксплуатационных характеристик изделия, например нанесение необходимого микрорельефа на поверхности изделия или смазки.
Наличие обрабатывающих модулей с абразивным инструментом исключает применение дорогостоящих вольфрамсодержащих инструментальных материалов, а также позволяет высокопроизводительно и высококачественно обработать заготовки повышенной твердости. Использование абразивных режущих зерен определенной формы (фиг.21) увеличивает режущую способность и стойкость инструмента, а значит и протяжки в целом. Использование наполнителя между абразивными зернами позволяет сосответственно уменьшить усилие обработки, разупрочнить поверхностный слой обрабатываемой заготовки, модифицировать или нагреть ее поверхностный слой, что также направлено на расширение функционального диапазона протяжки.
Абразивный инструмент в виде кассеты из вертикально установленных упругих лепестков и металлический инструмент из продольных зубчатых реек способствуют увеличению плавности обработки. Металлический инструмент с натирающими пластинами расширяет технологические возможности протяжек, создавая на поверхности получаемого изделия антифрикционный слой, уменьшающий износ поверхности при эксплуатации.
Выполнение металлического инструмента в виде кассеты из вертикальных конструктивно простых режущих или деформирующих элементов упрощает и удешевляет протяжку в целом, расширяя при этом диапазон ее технологических возможностей.
Смазочная секция (или нескольких смазочных секций) способствует улучшению условий работы режущего или деформирующего инструмента благодаря нанесению смазки на проблемные обрабатываемые поверхности или позволяет путем предэксплуатационного нанесения на обработанную окончательно поверхность смазочного или консервирующего материала повысить качество изделия.
Выполнение обрабатывающего модуля в виде подпружиненного одноплечего рычага, несущего инструмент, позволяет сообщать инструменту дополнительные технологические перемещения в плоскости обработки, а также регулировать глубину внедрения микровыступов инструмента при обработке на заданный технологический припуск.
При этом составная конструкция рычага позволяет не только экономить дорогостоящие инструментальные материалы, но и вести обработку заготовок, требующих повышенных усилий резания.
Выполнение обрабатывающих модулей в виде вращающихся или осциллирующих головок путем обеспечения дополнительных комбинированных рабочих перемещений инструмента в плоскости обработки расширяет технологические возможности протяжки, способствует интенсификации режимов обработки и повышению качества обработки.
Конструкция инструмента позволяет осуществлять обработку заготовки как в прямом, так и в обратном ходе протяжки, что является ее важным преимуществом.
На фиг.1 представлен пример общего вида сборной секционной протяжки (изометрия); на фиг.2 - секция с обрабатывающим модулем в виде одноплечего рычага с монолитным абразивным инструментом, пример; на фиг.3 - то же (вид спереди); на фиг.4 - вид по стрелке А на фиг.3; на фиг.5 - секция с обрабатывающим модулем в виде рычага и монолитным металлическим инструментом, пример (вид сбоку); на фиг.6 - пример выполнения регулировочного узла для секций на фиг.2 и 5; на фиг.7 - пример выполнения рычага составным; на фиг.8 - секция с составным инструментом из лепестковых абразивных элементов, пример (вид сбоку); на фиг.9 - секция с составным инструментом из продольных реечных элементов; на фиг.10 - секция с обрабатывающим модулем в виде вращающейся головки, пример с составным инструментом из игольчатых элементов (вид сбоку); на фиг.11 - то же, со столбиковыми элементами; на фиг.12 - то же, с шариковыми элементами; на фиг.13 - то же, с проволочными элементами; на фиг.14 - то же, с абразивным монолитным диском; на фиг.15 - секция с обрабатывающим модулем в виде осциллирующей головки, пример с составным инструментом из шариковых элементов (вид спереди); на фиг.16 - то же (вид сбоку); на фиг.17 - то же, с игольчатыми элементами; на фиг.18 - то же, с абразивным инструментом в виде поперечного бруса; на фиг.19 - то же, с натирающими пластинами; на фиг.20 - смазочная секция с пористым инструментом, пример (вид сбоку); на фиг.21 - вид режущего абразивного зерна, используемого в абразивном инструменте.
Протяжка содержит основание 1, на котором закреплены своими корпусами 2 секции 3 для черновой, чистовой и различных видов финишной металлообработки поверхности 4 изделия и секции 5 для нанесения смазочного материала на поверхности изделия. Секции 3 и 5 установлены на основании 1 в последовательности, определяемой технологией обработки конкретного изделия, и содержат обрабатывающие модули 6 с инструментами 7. Модули 6 установлены на корпусах 2 с возможностью относительных дополнительных технологических перемещений, что позволяет вести обработку с комбинированной кинематической схемой работы инструмента 7, и содержат средства компенсации ударной нагрузки на инструмент в виде упругих элементов 8, установленных в модуле так, чтобы в процессе обработки действие их упругих сил было направлено по нормали к касательной линии в точке контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью 4. Типовой ряд используемого в предлагаемой протяжке инструмента широк и включает в себя абразивный инструмент монолитный или составной, металлический, например из быстрорежущей стали, инструмент, также монолитный или составной и смазочный инструмент из пористого материала.
Конструктивный вид инструмента также разнообразен: он может быть выполнен в виде продольного бруса или диска, или в виде кассеты, составленной из вертикально установленных режущих (деформирующих) элементов: игольчатых, столбиковых, проволочных и т.д. Подробно виды используемого в предлагаемой протяжке инструмента раскрыты далее при описании конкретных примеров выполнения секций.
Для инструмента типа продольного бруса модули 6 выполнены в виде одноплечего рычага 9, подпружиненного с помощью плоской пружины 8 относительно основания 2 (фиг.2 и 5).
Для других типов инструмента модули 6 выполняются в виде приводной вращающейся головки 11 (фиг.10-14) или в виде приводной осциллирующей головки 12 (фиг.15-19).
Возможны и другие варианты конструктивного исполнения обрабатывающих модулей.
Количество секций в протяжке, их месторасположение и выполнение с той или иной конструкцией модулей 6 и соответственно инструментов 7 определяется функциональным назначением секции в общем процессе обработки изделия протяжкой и выбранными по технологическим соображениям режимами обработки, схемами кинематики работы инструмента, а также особенностями самого изделия, например его материала или типа исходной заготовки. На фиг.1 проиллюстрирован вариант компоновочного решения протяжки.
Далее сущность изобретения поясняется на конкретных примерах исполнения и работы следующих секций.
З
Л
о
в
Регулируемая абразивно-режущая секция 3 (фиг.2) содержит обрабатывающий модуль 6, выполненный в виде одноплечего рычага 9, закрепленного одним концом на корпусе 2 с помощью регулировочного узла 13 с эксцентриковой втулкой 14 (фиг.3). Другим концом рычаг 9 опирается на сферическую поверхность винта 15, зафиксированного контргайкой 16. Рычаг опирается на упругий элемент 8 в виде плоской пружины, которая с одной стороны жестко закреплена на корпусе 2, а другой свободно контактирует с рычагом 9. На рычаге установлен монолитный абразивный инструмент 7, представляющий собой продолговатый брус с переменным вдоль направления подачи сечением с образованием заборного участка L и калибрующей ленточки L. Наружная рабочая поверхность инструмента 7 имеет прерывистый рельеф (примеры на фиг.4) и может содержать наполнитель 18, например графит, серу, медный порошок, термиты и т.п.В инструменте используются абразивные режущие зерна, форма которых подчиняется соотношению Д/Д=(1,5-2) - это обеспечивает максимальную режущую способность абразивных зерен (фиг.21). Секция предназначена для черновой обработки твердых и сверхтвердых заготовок, в т.ч. закаленных, например из стекла, керамики, композитов, с возможностью регулирования инструмента на размер припуска удаляемого материала заготовки. Большая часть технологического припуска удаляется заборным участком, а калибрующая ленточка обеспечивает получение необходимого диаметрального размера обработки за счет отрегулированного ее горизонтального положения. При этом рычаг опирается на сферическую поверхность винта 15, положение которого фиксируется контргайкой 16.
Прерывистый рельеф 17 наружной рабочей поверхности инструмента 7 в этой секции способствует интенсивному удалению микростружек из межзеренного пространства, т.к. наибольшее количество микростружки выводится через канавки рельефа.
Наличие в составе инструмента того или иного наполнителя 18 (фиг.4) способствует интенсификации обработки путем снижения сил резания, или разупрочнения обрабатываемой поверхности, или поверхностного армирования, или дополнительного нагрева.
Так, при наличии наполнителя в виде частиц серы происходит разупрочнение поверхностного слоя заготовки; при наполнителе в виде частиц графита происходит уменьшение усилия обработки и соответствующего нагрева заготовки; при наполнителе в виде медного порошка происходит армирование поверхности 4 частицами меди, повышающее ее эксплуатационные показатели. При наличии наполнителя в виде частиц термитов при их возгорании за счет тепла от трения обеспечивается заданный технологический нагрев обрабатываемой поверхности для повышения обрабатываемости материала изделия путем обеспечения горячей пластической деформации в срезаемом слое.
З
Л
Л
Л1
Л2
Регулируемая деформирующее-режуще-выглаживающая секция 3 (фиг.5) предназначена для черновой и чистовой обработки и содержит обрабатывающий модуль 6, конструктивно выполненный так же, как и в предыдущей секции в виде подпружиненного одноплечего рычага 9, и инструмент 7 в виде монолитного металлического бруса с переменным вдоль направления подачи микрорельефом 19 с образованием деформирующего, режущего и выглаживающего участков на заборной L и калибрующей L частях рабочей поверхности. Причем калибрующая часть L имеет два участка. На участке L выполнен микрорельеф 19, а на участке L микрорельеф отсутствует для исключения искажения поперечного профиля обработанной поверхности 4 при обратном ходе протяжки.
В описанных выше двух секциях:
Необходимое усилие обработки обеспечивается упругим элементом 8. Большая часть технологического припуска удаляется заборным участком; калибрующий участок обеспечивает получение требуемого качества поверхности 4 путем отрегулированного с помощью узла 13 горизонтального расположения этого участка, которое фиксируется подпружиненным фиксатором 20, входящим в паз проушины рычага 9. Для возврата фиксатора 20 в исходное положение служит рукоятка 21.
Регулировочный узел 13 (фиг.6) включает в себя ось 22, на которой с помощью штифта 23 закреплена эксцентриковая втулка 14, расположенная в отверстии рычага 9. Для угловой и осевой фиксации оси 22 служат шайба 24 с рифленым торцом и гайки 25.
Л
Предварительная настройка этих секций путем регулирования горизонтального положения калибрующих участков L, требуемого для получения заданного диаметрального размера поверхности 4, осуществляется следующим образом.
Л
Л1
При ослаблении гаек 25 поворачивают ось 22 и соединенную с ней штифтом 23 эксцентриковую втулку 14, добиваясь при этом необходимого высотного горизонтального расположения калибрующей ленточки L (фиг.2) или калибрующего участка L (фиг.5), при котором рычаг опирается на винт 15. Требуемая высота винта фиксируется контргайкой 16.
Действием пружин 8 обеспечивается компенсация ударных нагрузок на инструмент 7 при его работе и регулируется глубина внедрения микровыступов инструмента.
При больших усилиях обработки для благоприятного распределения внутренних нормальных и касательных напряжений, возникающих в рычаге при работе инструмента, целесообразно с точки зрения прочности обрабатывающего модуля и инструмента в нем использовать составную конструкцию рычага (фиг.7), содержащего основное тело 26 из конструкционной стали и инструментальную наплавку, состоящую, по меньшей мере, из двух взаимно пересекающихся слоев 27 и 28. Желоба 29 и 30 под наплавку каждого слоя выполнены по траектории главных напряжений, возникающих при обработке, а для увеличения прочности соединения основного тела рычага и слоев наплавки на поверхностях желобов выполнены канавки 31 и 32, образующие регулярный микрорельеф.
Режущая секция 3 с составным абразивным инструментом в виде вертикально установленных лепестков (фиг.8) предназначена для плавной безударной получистовой обработки твердых заготовок. Секция состоит из корпуса 2 с закрепленным на нем обрабатывающим модулем 6, несущим инструмент 7, выполненный в виде кассеты из вертикально установленных абразивных упругих лепестков 33 с упругими элементами 8, расположенными внутри них. Для изменения жесткости абразивных лепестков, необходимого для улучшения условий обработки, упругие вставки 8 выполнены с толщиной, изменяющейся в направлении подачи. При контакте с поверхностью 4 лепестки 33 изгибаются, увеличивая плавность и площадь обработки, а также интенсивное удаление образующейся микростружки, что дополнительно увеличивает стойкость инструмента и качество получаемой поверхности. Секцию целесообразно использовать при обработке фасонных поверхностей: абразивные лепестки под действием упругих сил элементов 8 облегают обрабатываемую поверхность, принимая ее форму.
Режущая секция 3 (фиг.9) предназначена, преимущественно, для черновой обработки вязких материалов. В ней металлический инструмент 7 выполнен в виде продольного бруса, состоящего из продольных зубчатых реек 34, с расположением режущих граней в шахматном порядке, т.е. шаг зубьев (Т) одной рейки имеет смещение (ΔТ) относительно шага зубьев двух смежных реек. Смещение по шагу определяется по следующему выражению, исходя из условия безударности обработки, когда в работе находятся одновременно, как минимум, два зуба:
2*√t(D-1)/ΔT≥2, где:
D - диаметр обрабатываемой заготовки;
t - глубина обработки.
В стружечных канавках зубчатых реек предусмотрено отверстие 35 для подачи СОЖ или воздуха для удаления стружки. В работе этой секции за счет обеспечения одномоментного контакта с поверхностью 4, по меньшей мере, двух режущих граней в сочетании с действием упругих сил элемента 8 исключается возникновение ударных нагрузок и дополнительно повышается стойкость инструмента.
Режущая или деформирующая секция 3 с обрабатывающим модулем в виде вращающейся головки 11 выполняется с составным металлическим инструментом с игольчатыми (фиг.10), столбиковыми (фиг.11), шариковыми (фиг.12), проволочными (фиг.13) рабочими элементами или с монолитным абразивным инструментом в форме диска, торцевая рабочая поверхность которого имеет прерывистый рельеф, содержит описанные выше абразивные зерна и наполнитель 18 (или без него). При работе секции за счет сложения вращательного и поступательного перемещений инструмента осуществляется резание или деформирование поверхности 4 по взаимно пересекающимся криволинейным траекториям, благодаря чему повышаются производительность и качество обработки, функциональный диапазон протяжки.
Хвостовик вращающейся головки 11 подпружинен относительно ее шпинделя, что совместно с действием упругого элемента 8 обеспечивает плавную (безударную) работу инструмента.
Составляющие инструмент вертикально установленные режущие или деформирующие элементы обеспечивают пересечение множественных следов обработки.
Назначение и преимущества режущей или деформирующей секции 3 с обрабатывающим модулем в виде осциллирующей головки 12 (фиг.15-19) те же, что и в предыдущей секции, с той лишь разницей, что в ней плавная обработка поверхности 4 изделия осуществляется по взаимно пересекающимся прямолинейным траекториям, инструмент в ней может быть выполнен в виде абразивного поперечного бруса с переменным поперечным сечением или в виде набора натирающих пластин. Для повышения жесткости обрабатываемой заготовки при работе секции может использоваться роликовый люнет 40, исключающий прогиб заготовки.
Секции с вращающимися 11 или осциллирующими 12 головками позволяют реализовать разнообразные траектории относительного движения инструментов 7 и поверхности 4 изделия и тем самым способствовать повышению режимов обработки и улучшению качества обработанной поверхности. При этом диапазон их технологических возможностей широк. Например, при работе натирающими пластинами можно регулировать химический состав натираемого слоя и, следовательно, прочностные характеристики обработанной поверхности.
Используемые в этих секциях игольчатые и проволочные режущие элементы создают шероховатый регулярный микрорельеф, на который хорошо натираются частицы антифрикционных материалов и затем шариковыми или столбиковыми деформирующими элементами фиксируются в канавках полученного рельефа поверхности изделия.
Инструмент в виде абразивного диска позволяет изменением рельефа его рабочей поверхности вести обработку в широком диапазоне - от черновой до чистовой и отделочной. В предлагаемом примере компоновки протяжки (фиг.1) абразивный диск использован для окончательной обработки полученного с помощью предыдущего инструмента рельефа поверхности 4, например для устранения наплывов, канавок и т.п.
Смазочная секция 5 (фиг.20) позволяет непосредственно перед обработкой поверхности 4 соответствующей той или иной металлообрабатывающей секцией наносить на поверхность наиболее эффективную для конкретного случая технологическую смазку, причем без смешивания различных смазок в тех случаях, когда смазка требуется в нескольких местах. Дополнительно с помощью смазочной секции можно по завершении обработки нанести на поверхность изделия консервационную смазку.
Секция состоит из корпуса 2, на котором размещен инструмент 7, выполненный из пористого материала. При работе протяжки смазочный материал подается в канал 38 через отверстие 39 в корпусе 2 и далее поступает в пористый инструмент 7, посредством которого наносится на поверхность 4 изделия. В протяжке может быть установлена одна смазочная секция, например перед режущей секцией 3 с металлическим инструментом, или несколько смазочных секций. Их количество и месторасположение определяется технологической целесообразностью, так для нанесения консервационной смазки на обработанную окончательно поверхность изделия секция 5 устанавливается на основании 1 последней.