УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШПИНДЕЛЬНОЙ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к области машинной обработки деталей, в частности к устройствам для шлифования и отделки поверхности тел вращения, преимущественно деталей из высокопрочных сталей до требуемой шероховатости, удаления заусенцев, округления и полирования кромок. В числе обрабатываемых деталей могут быть тела вращения простой и сложной формы: кольца подшипников качения, шестерни и звездочки, червяки, винты, шкивы, плоские детали виде дисков.
К вибрационной обработке относится метод механической или химико-механической обработки деталей и заготовок путем сглаживания микронеровностей и съема частиц материала с обрабатываемой поверхности частицами абразивной среды, совершающей колебания под действием вибрации камеры, в которой находятся обрабатываемые детали и рабочая среда. Обработку осуществляют в сухой среде или в растворе, в состав которого могут вводиться различные химические добавки. Вибрационную обработку применяют для очистки литья, удаления окалины и продуктов коррозии с поверхности заготовок и деталей, снятия заусенцев и скругления острых кромок, удаления окалины и продуктов коррозии с поверхности заготовок и деталей, снятия заусенцев и скругления острых кромок, удаления облоя с литых, штампованных и прессованных деталей, повышения класса чистоты (виброполирование), а также для подготовки поверхности под гальванические и лакокрасочные покрытия.
Необходимость интенсификации процесса шпиндельной вибрационной обработки становится обоснованной при учете современной тенденции широкого применения в машиностроении высокопрочных и трудно
обрабатываемых материалов и стремлению к всемерному сокращению времени обработки.
Известен способ шпиндельной вибрационной обработки, при котором обрабатываемые детали размещают на шпинделях, затем погружают в заполненный обрабатывающей гранулированной средой рабочий контейнер, которому сообщают колебательные движения, а деталям сообщают возвратно-поступательные движения и угловые колебания. (SU 1076263, МПК 3 В24В 31/06, 28-02-84) /1/. При протягивании детали через рабочую среду последняя деформируется, образуя отверстие в абразивной уплотненной среде по форме детали. Равномерность обработки поверхности деталей достигается оптимизацией частоты колебаний контейнера, частоты угловых колебаний детали и частоты хода протягивания детали. Взаимодействие трех кинематических схем при обработке деталей является сложной механической системой задачей, что не позволяет априоре задать необходимую степень шероховатости поверхности детали, что снижает выход годных деталей.
Известен многошпиндельный станок для вибрационной отделки поверхностей деталей (Бабичев А.П. Вибрационная обработка деталей, М., «Машиностроение», 1974 /2/, содержащий корпус, упруго подвешенную на корпусе заполненную абразивной средой и имеющую приводной вал кольцевую камеру, колонну с вертикальными направляющими, а также снабженный рабочими шпинделями для установки обрабатываемых деталей, двигателем, приводным валом и редуктором шпиндельный блок, установленный на колонне механизм подъема и опускания шпиндельного блока, при этом приводные валы кольцевой камеры и шпиндельного блока расположены соосно. Однако одностороннее вращение валов шпиндельного блока с обрабатываемыми деталями и несогласованное взаимодействие обрабатываемых поверхностей с рабочей средой в рабочей камере не позволяет полностью использовать технические возможности станка для повышения производительности и улучшения качества обработки.
Усовершенствованием описанного выше устройства является многошпиндельный станок для вибрационной отделки поверхностей деталей (SU 774924, 3 МПК В24В 31/06, 31-07-78) /3/, который содержит колонну с вертикальными направляющими, шпиндельный блок, включающий в себя рабочие шпиндели для установки обрабатываемых деталей, редуктор привода шпиндельного блока с приводным двигателем, винтовую передачу с механизмом подъема и опускания шпиндельного блока и двигателя, кольцевую рабочую камеру с абразивной средой, приводной вал, выполненный из двух частей. Рабочие шпиндели упруго установлены в корпусе редуктора шпиндельного блока с возможностью совершения винтовых перемещений. Редуктор содержит планетарный инерционно-импульсный механизм и косозубую планетарную передачу с заторможенным водилом, центральные солнечные шестерни которых жестко соединены между собой и свободно установлены на приводном валу шпиндельного блока. Рабочие шпиндели, совершая сложное возвратно-поступательное и возвратно-вращательное движение в зависимости от направления импульса вращающего момента, вызывают деформацию упругих элементов, которые обеспечивают плавность возвратно-поступательного движения рабочих шпинделей с обрабатываемыми деталями. Такой станок позволяет повысить производительность и улучшить качество отделки поверхностей деталей вследствие высокой скорости относительного скольжения и соударения обрабатываемых поверхностей и частиц рабочей среды.
Однако при малых размерах детали или малой плотности абразивной среды интенсивность обработки деталей и производительность станка резко падает, так как инерционно-импульсный механизм при этих условиях не создает вибраций.
Усовершенствованием описанного выше устройства является многошпиндельный станок для вибрационной отделки поверхностей деталей (SU 961929, 3 МПК В24В 31/06, 30-09-82) /4/. Для повышения качества обработки путем стабилизации амплитуды колебаний системы абразивная
среда - обрабатываемая деталь кинематическая связь приводного вала с кольцевой камерой выполнена в виде упругих муфт, связывающих между собой ведомые шестерни редуктора с введенными в конструкцию станка дебалансными грузами. Конструкция обеспечивает плавность возвратно-поступательного движения рабочих шпинделей с обрабатываемыми деталями, а кольцевая камера с абразивной средой - стабильную частоту и амплитуду колебаний, однако не обеспечивает регулировку съема частиц металла с поверхности обрабатываемой детали.
Наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемой полезной модели является устройство для вибрационной обработки деталей типа шестерен. (SU 1202825, МПК В24В 31/06, 07-01-86) /5/, принимаемое за прототип, которое содержит рабочую емкость с дебалансным вибровозбудителем, расположенный в ней шпиндель, предназначенный для закрепления обрабатываемой детали и средство для экранирования элементов зубьев шестерен от обрабатывающей среды, выполненное в виде системы пластин с цилиндрическими держателями, установленные в шпинделе радиально с возможностью перемещения вокруг свой оси и связанными с ним посредством пружин. Относительное движения абразива и детали обеспечивается сообщением колебательных движений рабочей емкости и вращения шпинделю, в результате осуществляется снятие заусенцев и округление острых кромок зубьев. При этом на пластины с одной стороны воздействует центробежная сила от вращения шпинделя, а с другой стороны - струя абразива и пружины, в результате чего пластины самоустанавливаются в некотором равновесном положении. При этом с целью защиты от струй обрабатывающей среды впадин зубьев, местонахождение пластин определяется параметрами пружин и обрабатываемой детали. После окончания обработки одной стороны кромок зубьев реверсируют вращение шпинделя. Обработку обратной стороны детали производят аналогичным образом при соответствующей ее переустановке.
Недостатком известного устройства - прототипа является отсутствие регулирования заданной степени шероховатости поверхности детали, обусловленное количеством съема металла в процессе обработки поверхности детали, что снижает выход годных деталей и недостаточно высокая интенсивность и равномерность обработки. Кроме того, при обработке шестерен требуются средства защиты от воздействия струй абразива на впадины зубьев, что ограничивает ассортимент обрабатываемых деталей только шестернями.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение класса обрабатываемых деталей, обеспечение возможности регулирования съема металла с поверхности тел вращения и повышение интенсивности и равномерности обработки за счет наложения дополнительного регулируемого давления на вибрирующую рабочую среду.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для шпиндельной вибрационной обработки цилиндрических деталей содержит герметичную емкость с абразивной рабочей средой, снабженную в нижней части дебалансным вибровозбудителем и расположенный в верхней части емкости с возможностью вращения шпиндель, предназначенный для закрепления обрабатываемой детали.
Согласно полезной модели емкость в своей боковой части сообщается с цилиндрической полостью, внутри которой установлен подвижный поршень, шток которого соединен с пневмоцилиндром, вход которого соединен с выходом блока распределения, регулирования и измерения давления, вход которого соединен с компрессором,
В частном случае выполнения устройства:
- блок распределения, регулирования и измерения давления содержит смонтированные в одном корпусе распределитель давления с ручным управлением, регулятор давления и манометр;
- емкость снабжена в верхней части прижимной крышкой;
- на внешней поверхности прижимной крышки жестко закреплена втулка с возможностью вращения в ней шпиндельного вала;
- шпиндель соединен с обрабатываемой деталью гибким валом, соединенным над втулкой с жестким валом;
- в верхней части емкость имеет входной патрубок для загрузки рабочей среды;
- в нижней части емкость имеет выходной патрубок для удаления отработанной рабочей среды.
Конструкция устройства для шпиндельной вибрационной обработки цилиндрических деталей поясняется фигурами чертежей.
На фиг.1 приведен схематический чертеж устройства в поперечном сечении.
На фиг.2 приведена структурная схема блока распределения, регулировки и измерения давления.
На фиг.3 приведен график зависимости количества съема частиц металла Q, г от величины воздействующего на рабочую среду давления Р, атм. для обрабатываемой детали (сталь 45).
На фиг.4 приведена зависимость количества съема частиц металла Q, г от скорости вращения V, об/мин для обрабатываемой детали (сталь 45).
На фиг.5 приведен график изменения шероховатости Ra, мкм поверхности обрабатываемой детали (сталь 45) от времени обработки t, мин при постоянном уплотнении рабочей среды давлением Р=0,5 атм.
На фиг.6 представлен вид обработанных деталей, где а - кольца - латунь, б - труба - сталь 35.
Устройство содержит (фиг.1) емкость 1 U-образной формы, заполненную рабочей средой 2, содержащей охлаждающую жидкость с абразивными гранулами с заданным размером зерен или войлочными пыжами, покрытыми пастой ГОИ, и снабженную в верхней части входным патрубком 3 и в нижней части - выходным патрубком 4. Нижняя часть емкости 1
закреплена пружинами 5 на массивном основании 6 и связана дебалансом 7 с инерционным вибратором. В боковой части емкость 1 сообщается с цилиндрической полостью 8, внутри которой установлен подвижный поршень 9, имеющий шток 10, который соединен с пневмоцилиндром 11, вход которого соединен с выходом блока распределения, регулирования и измерения давления 12, который содержит смонтированные в одном корпусе распределитель давления с ручным управлением 13, регулятор давления 14 и манометр 15 (фиг.2), подключенные к компрессору 16. Емкость 1 снабжена прижимной крышкой 17 с центральным отверстием и втулкой 18 с возможностью вращения в ней жесткого вала 19, на нижнем конце которого жестко закреплена с помощью гайки 20 обрабатываемая деталь 21. Для исключения деформаций жестко закрепленных деталей устройства при вращении детали 21 верхний конец жесткого вала 19 соединен хомутом 22 с гибким валом 23, который установлен в шпинделе 24 настольного сверлильного станка.
В исходном положении шпиндель 24 станка и прижимная крышка 17 находятся в верхнем положении. На этой позиции осуществляется установка детали 21 (пакета деталей) и ее закрепление гайкой 20. Затем деталь 21 вводится в емкость 1 с рабочей средой 2, одновременно опускается прижимная крышка 17 и включается электродвигатель сверлильного станка и компрессор 16, от которого сжатый воздух до заданного давления поступает в регулятор давления 14, манометр 14 и распределитель давления 13, подключенный к входу пневмоцилиндра 11, который двигает поршень 9 в цилиндрической полости 8 и тем самым обеспечивает регулируемое уплотнение рабочей среды 2 в емкости 1. Это повышает контактные давления в локальных зонах взаимодействия частиц рабочей среды 2 с поверхностью детали 21, увеличивает количество воздействий, приводящих к микрорезанию обрабатываемого материала за счет повышения эффективности и равномерности динамического воздействия различных участков емкости 1 на массу загрузки и снижения коэффициента затухания силовых импульсов, распространяющихся вглубь рабочей среды 2. Вращение детали 21 и относительное перемещение частиц
рабочей среды 2, плотно прижатых друг к другу, происходящее преимущественно в виде проскальзывания с перекатыванием, обеспечивает высокую интенсивность и равномерность съема материала с различных участков обрабатываемой поверхности цилиндрических деталей..
В устройстве для шпиндельной вибрационной обработки цилиндрических деталей для возбуждения вибрации абразивной среды использована вибрационная установка УВГ 4Х10 и для поступательного перемещения и вращательного движения детали 2 (пакета деталей) использован настольно-сверлильный станок НС-12, технические характеристики которых приведены ниже:
Техническая характеристика вибрационной установки УВГ 4Х10
Объем рабочей камеры, дм<sup>3</sup>
0.7
Количество рабочих камер, шт
1
Система вибропривода
дебалансная
Количество дебалансов, шт
4
Амплитуда колебаний, мм
0-4.5
Частота колебаний, Гц
15, 25, 33, 50
Мощность эл/двигателя, квт
1
Габаритные размеры (l*b*h), мм
14*9*12
Технические характеристики шпиндельной головки настольно-сверлильного станка НС-12.
Количество оборотов шпинделя, об/мин
120-4500
Биение шпинделя, мм
0.02
Конус шпинделя
R-18
Электродвигатель
АС41-6/4/2
Мощность, квт
0.6/0.75/1.0
Обороты, об/мин
600
Вертикальное перемещение шпиндельной головки, мм
350
Изменение числа оборотов шпинделя 24 станка осуществлялось переключением трехскоростного электродвигателя и сменными шкивами. Измерение амплитуды и частоты колебаний рабочей камеры вибрационной установки производилось вибрографом ВР-1, позволяющим регистрировать вибрации с размахом амплитуды (2А) от 0,05 до 6 мм и частотами от 5 до 100 Гц. Скорость вращения шпинделя 24 и контроль частоты колебаний виброустановки, регистрировалась тахометром ИО-30. Для исследования шероховатости поверхности образцов применялся профилометр модели 296. В качестве пневмоцилиндра 11 использован миницилиндр Д16: ход 125. В качестве распределителя 13 и регулятора давления 14 использован фильтр-регулятор серии «N», ООО «КАМОЦЦИ ПНЕВМАТИКА», г.Москва. Для измерения давления использован манометр на 0-12 атм.
Измерение амплитуды и частоты колебаний вибрационной установки производилось вибрографом ВР-1, позволяющим регистрировать вибрации с размахом (2А) от 0,05 до 6 мм и частотами от 5 до 100 Гц. Тахометром ИО-30 регистрировалась скорость вращения шпинделя 24 и дополнительно контролировалась частота колебаний виброустановки.
Для измерения шероховатости поверхности образцов применялся профилометр модели 296. При испытания устройства для шпиндельной вибрационной обработки цилиндрических деталей использованы гранулированные абразивные материалы различных характеристик: материал - карбид кремния черный (К4), зернистость 3-4, грануляция - 5-6 мм. Для тонкой отделки (полирования) применялись войлочные пыжи, пропитанные пастой ГОИ (средней) с керосином.
Как следует из фиг.3 при увеличении давления Р в интервале 1 - 2,5 атм. величина съема металла при поверхностной обработки детали из стали 45 увеличивается от 0,1 г до 1 г. Скорость съема металла Q г/мин возрастает от 0,071 при n=1150 об/мин до 0,435 г/мин при n=2650 об/мин, (фиг.4). Уменьшение шероховатости поверхности Ra от времени обработки при постоянном уплотнении рабочей среды давлением Р=5 атм. составляет
0,38 мкм за время обработки 0.8 мин. (фиг.5), что не достигалось в известных аналогах шпиндельной обработки. Визуально высокое качество поверхностной обработки деталей из разных сплавов иллюстрируют фотографии (фиг.6). Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает при контролируемом изменении уплотнения рабочей среды 2 получение заданной величины съема металла, повышение интенсивности и равномерности обработки поверхности широкого ассортимента цилиндрических деталей.
Источники информации:
1. SU 1076263, МПК 3 В24В 31/06, 28-02-84.
2. Бабичев А.П. Вибрационная обработка деталей, М., «Машиностроение», 1974.
3. SU 774924, 3 МПК В24В 31/06, 31-07-78.
4. SU 961929, 3 МПК В24В 31/06, 30-09-82
5. SU1202825, МПК В24В 31/06, 07-01-86 - прототип