СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CENTRIFUGAL PROCESSING OF PARTS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к отделочно-упрочняющей обработке деталей и может быть использовано для шлифования, полирования и упрочнения гранулированными рабочими средами внутренних поверхностей колец или втулок, преимущественно сложного профиля, в машино- и приборостроении.
Известны различные способы обработки деталей гидроабразивной средой, при которых обработку производят при непрерывной циркуляции суспензии относительно поверхностей деталей, а уплотнение абразивной фракции суспензии осуществляют под действием центробежных сил, возникающих при вращении барабана или секционного инструмента, снабженного радиальными лопастями [1, 2, 3, 4], а также устройства для их реализации [5, 6].
В известных способах и устройствах обработка производится свободными абразивными частицами, находящимися в жидкости, которые уплотняют путем трансформации абразивной фракции суспензии в плотный режущий слой или бруски при вращении барабана или многосекционного лопастного инструмента.
Недостатком известных способов и устройств является нестабильность качественных показателей поверхности по внутреннему профилю колец или втулок после обработки.
Уплотнение абразивных частиц вращением барабана с гидроабразивной суспензией не позволяет создать необходимое для обработки контактное давление на внутренние поверхности при частичном погружении детали в уплотненный абразивный слой, сформированный на периферии вращающегося барабана.
Более эффективным для обработки внутренних поверхностей колец или втулок является уплотнение абразивной суспензии путем вращения секционного инструмента с радиальными лопастями до образования в межлопастном пространстве плотных абразивных брусков, перемещающихся с высокой скоростью относительно обрабатываемой поверхности.
Однако при этом сложно обеспечить радиальный зазор, при котором будет отсутствовать проскальзывание абразивных частиц относительно лопастей крыльчатки, особенно при многопереходной обработке, когда полирование осуществляют со сменой зернистости шлифовального материала для уменьшения размера частиц. Кроме того, неодинаковое контактное давление на различных участках фасонного профиля приводит к удалению неравномерного припуска и снижению точности обработки деталей.
Устройства для реализации центробежной обработки обеспечивают трансформацию частиц гидроабразивной суспензии в режущий инструмент при вращении барабана или секционного инструмента, снабженного лопастями. Уплотнение частиц абразивной фракции суспензии происходит под действием инерционных сил, возникающих при вращении барабана или инструмента, снабженного лопастями. Недостатком известных устройств является проблемный характер обработки внутренних поверхностей деталей со сложной формой рабочего профиля, так как с увеличением радиального зазора между лопастями крыльчатки и обрабатываемой поверхностью падает интенсивность съема металла и не достигаются требуемые качественные характеристики поверхности.
Наиболее близкими заявляемому изобретению являются «Способ обработки изделий» по авт. свид. №468769 [2] и «Станок для полировки свободным абразивом полых изделий» по авт. свид. №831573 [6].
Особенностью прототипа способа является уплотнение гидроабразивной рабочей среды секционным инструментом с непрерывной подачей абразивной смеси в зону обработки. Однако при увеличении глубины профиля детали происходит проскальзывание плотных брусков относительно лопастей крыльчатки, что сопровождается интенсивным абразивным износом лопастей инструмента и приводит к резкому снижению эффективности обработки с появлением «застойных» зон на криволинейных участках профиля детали с формированием неоднородных качественных характеристик по обрабатываемому профилю, которые не позволяют достигнуть стабильного качества поверхности. Неодинаковые контактные давления плотных брусков по профилю детали приводят к различной величине съема металла и искажению профиля, особенно на выступах и участках, перпендикулярных к оси детали, что ограничивает технологические возможности способа при финишной обработке деталей, к поверхностям которых предъявляются жесткие требования по точности формы.
Отличительной характеристикой прототипа устройства является формирование эластичных брусков при вращении инструмента, снабженного радиальными лопастями в замкнутом объеме внутренней полости обрабатываемого изделия при отсутствии циркуляции полировальной смеси, причем для увеличения контактного давления лопасти инструмента соединены эластичной перегородкой с образованием вспомогательной полости, заполненной, например, свинцовой дробью. Такое конструктивное решение позволяет снизить частоту вращения инструмента при сохранении требуемой величины контактного давления. Но процесс абразивного резания сопровождается интенсивным тепловыделением, что может привести к структурным изменениям в поверхностных слоях закаленных деталей или прижогам металла, а наличие радиального зазора между лопастями инструмента и обрабатываемой поверхностью приводит к проскальзыванию частиц и износу лопастей, а это затрудняет получение стабильного качества обработанной поверхности.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности обработки и качества поверхности.
Технический результат достигается тем, что радиальный зазор Δr между радиальными лопастями инструмента и обрабатываемой поверхностью выбирают из условия
Δr≤5Z,
где Z - размер основной фракции частиц обрабатывающей среды, а абразивным брускам, уплотненным лопастями инструмента, сообщают относительно обрабатываемой поверхности осевые осциллирующие движения в соответствии с условием
о
где A и ω- амплитуда и круговая частота осцилляции соответственно;
u
ω - угловая скорость вращения секционного инструмента;
R - радиус обрабатываемой поверхности детали;
K - коэффициент надежности;
f - коэффициент трения частиц обрабатывающей среды и поверхности детали,
причем обработку производят в замкнутом объеме контейнера, а стенки контейнера охлаждают путем принудительной циркуляции охлаждающей жидкости.
Устройство для реализации способа снабжено инструментом, лопасти которого выполнены с продольными пазами, в которых закреплены сменные накладки в виде пластин с поперечными пазами для размещения крепежных элементов, а цилиндрический хвостовик инструмента установлен с возможностью вращения в крышке, герметично закрывающей контейнер, при этом контейнер снабжен двумя цилиндрическими поясками и жестко соединен, например, винтами, с охватывающей установочной обоймой, которая смонтирована посредством конического хвостовика в корпусе вибратора, а на цилиндрических поясках, центрирующих контейнер в обойме, предусмотрены уплотнительные элементы, причем на стенках контейнера и гильзы выполнены кольцевые расточки с образованием герметичной торовой полости, которая соединена, например штуцерами, с системой принудительной циркуляции охлаждающей жидкости.
Предлагаемые способ и устройство для его осуществления позволяют повысить производительность обработки и качество поверхности путем предотвращения проскальзывания плотных брусков относительно лопастей секционного инструмента и выравнивания контактного давления по обрабатываемому профилю, для чего оптимизируют радиальный зазор между лопастями инструмента и поверхностью детали, а брускам сообщают осевые осциллирующие движения, что позволяет удалить кольцевые риски и создать условия для равномерного съема металла по обрабатываемому контуру, а для отвода тепла, возникающего в замкнутом объеме контейнера при интенсивном абразивном резании, осуществляют принудительную циркуляцию охлаждающей жидкости относительно стенок контейнера.
Устройство для реализации способа позволяет регулировать радиальный зазор посредством сменных накладок в виде пластин с поперечными пазами, установленными в продольных пазах, выполненных на лопастях инструмента, причем контейнер с деталями установлен в охватывающую обойму, смонтированную в корпусе вибратора, а кольцевые расточки на стенках контейнера и обоймы образуют герметичную торовую полость, соединенную с системой принудительной циркуляции охлаждающей жидкости, при этом сменные пластины на лопастях инструмента выполнены из износостойкого полимерного материала и установлены с возможностью регулирования радиального зазора между лопастями инструмента и обрабатываемой поверхностью путем перемещения пластин в поперечных пазах относительно крепежных элементов, например винтов. Такое конструктивное решение позволяет оптимизировать радиальный зазор в зависимости от размеров и частиц обрабатывающей среды, обеспечить интенсивный отвод тепла путем охлаждения контейнера с деталями и получить стабильное качество обработанных поверхностей деталей.
Сравнение известных технических решений с заявляемым показало, что существенными отличительными признаками способа являются создание оптимального радиального зазора Δr между лопастями инструмента и обрабатываемой поверхностью, величину которого определяют из условия Δr≤5Z (Z - размер частиц основной фракции обрабатывающей среды), а также сообщение абразивным брускам, уплотненным лопастями инструмента, осевых осциллирующих движений в соответствии с условием
о
-1
где A и ω- амплитуда и круговая частота осцилляции соответственно, мм и с;
u
ω - угловая скорость вращения инструмента, рад/с;
R - радиус обрабатываемой поверхности детали (для профильной поверхности наибольший радиус), мм;
a
K - коэффициент надежности, K=1 при исходной шероховатости обрабатываемой поверхности R≤2,5 мкм и K=1,5 при более грубой шероховатости;
f - коэффициент трения частиц обрабатывающей среды и поверхности детали, при этом обработку производят в замкнутом объеме контейнера, а стенки контейнера охлаждают путем принудительной циркуляции охлаждающей жидкости.
Устройство для реализации способа также характеризуется существенными отличительными признаками, совокупностью новых функциональных узлов и связей, которыми являются инструмент, лопасти которого выполнены с продольными пазами, в которых закреплены сменные накладки в виде пластин с поперечными пазами для размещения крепежных элементов (это позволяет регулировать радиальный зазор), а сменные накладки изготовлены из износостойкого полимерного материала, например полиуретана, при этом цилиндрический хвостовик инструмента установлен с возможностью вращения в крышке, герметично закрывающей контейнер с деталями, а для центрирования в установочной обойме, смонтированной в корпусе вибратора, контейнер снабжен двумя цилиндрическими поясками и жестко соединен с охватывающей установочной обоймой, причем на стенках контейнера и обоймы выполнены кольцевые расточки с образованием герметичной торовой полости, которая соединена с системой принудительной циркуляции охлаждающей жидкости (это позволяет сообщить осциллирующие движения абразивным брускам относительно обрабатываемых поверхностей деталей и обеспечить охлаждение контейнера и деталей).
Технических решений со сходными отличительными признаками по патентной и научно-технической литературе не обнаружено, следовательно, заявляемые способ и устройство обладают существенными отличиями.
На фиг.1 изображена принципиальная конструктивная схема для реализации заявляемого способа; на фиг.2 - поперечный разрез А-А на фиг.1 контейнера и инструмента; на фиг.3 - лопасть инструмента со сменной накладкой; на фиг.4 - поперечный разрез Б-Б лопасти на фиг.3; на фиг.5 - форма паза на установочной гильзе (вид В на фиг.1); на фиг.6 - брусок из абразивных частиц, уплотненных лопастями инструмента.
Устройство, реализующее способ, состоит из секционного инструмента 1 (фиг.1), снабженного лопастями 2 с накладками 3 (фиг.2, 3 и 4), закрепленными винтами 4, обрабатываемыми деталями 5 с профильной внутренней поверхностью, установленными в контейнер 6, крышки 7, установочной обоймы 8, вибратора 9 и патрона 10. В контейнер 6 устанавливаются обрабатываемые детали 5 (кольца), заливается обрабатывающая среда (гидроабразивная суспензия), вставляется секционный инструмент 1 и контейнер закрывается крышкой 7. Собранный контейнер помещается в установочную обойму 8 и жестко закрепляется, например, винтами. Центрирование контейнера достигается цилиндрическими поясками 11 и 12, выполненными на наружной поверхности контейнера 6, а герметичность торовой полости 13 - за счет применения уплотнительных элементов, например резиновых колец 14 и 15. Герметичность контейнера достигается установкой уплотнительных элементов (колец) 16, 17 и 18 в сопряжениях хвостовика секционного инструмента 1 с крышкой 7 и крышки 7 с внутренней поверхностью контейнера 6. Установочная обойма 8 посредством конического хвостовика с резьбовым отверстием жестко соединяется с вибратором 9, а цилиндрический хвостовик секционного инструмента 1 зажимается в патроне 10 привода (не показан).
Установка сменных накладок 3, выполненных из износостойкого полимерного материала, например полиуретана, производится в продольных пазах, выполненных на лопастях 2 (см. фиг.4) секционного инструмента 1, а крепление осуществляется винтами 4. Для регулирования радиального зазора ослабляют винты 4 (см. фиг.3) и перемещают сменные накладки 3 в пазах 19, а затем фиксируют их в нужном положении винтами 4. Для соединения торовой полости 13 (см. фиг.1) с системой циркуляции охлаждающей жидкости (не показана) предусмотрены штуцеры 20 и 21. Для удобства съема контейнера 6 в корпусе установочной гильзы 8 предусмотрен паз 22 (фиг.5). Демпферы 23 и 24 предотвращают соударения секционного инструмента 1 с торцовой стенкой контейнера 6 и крышкой 7 при осевых осцилляциях контейнера.
u
Способ центробежной обработки деталей осуществляется следующим образом. Обрабатываемые детали 5 устанавливают в контейнер 6, заливают гидроабразивную суспензию требуемой концентрации, вставляют секционный инструмент 1, закрывают контейнер крышкой 7 и зажимают пакет деталей в осевом направлении. Собранный контейнер помещают в установочную обойму 8 и жестко соединяют с обоймой винтами. Установочную обойму 8 коническим хвостовиком центрируют в корпусе вибратора 9 и закрепляют при помощи тяги, ввернутой в резьбовое отверстие на хвостовике обоймы. Цилиндрический хвостовик секционного инструмента 1 зажимают в патроне 10 привода и сообщают инструменту вращение с угловой скоростью ω.
Под действием быстровращающихся лопастей 2 секционного инструмента 1 абразивная смесь центробежными силами уплотняется и трансформируется в плотные бруски (фиг.6), которые, вращаясь вместе с лопастями инструмента, производят обработку поверхностей деталей.
Для предотвращения интенсивного проскальзывания абразивных частиц относительно лопастей инструмента и уменьшения их абразивного износа радиальный зазор Δr между лопастями инструмента и обрабатываемой поверхностью выбирают из условия
Δr≤5Z,
где Z - размер основной фракции частиц обрабатывающей среды.
Для предотвращения абразивного износа лопастей обработку гладких цилиндрических поверхностей производят без зазора, а при увеличении радиального зазора свыше 5Z не обеспечивается закрепление частиц в зазоре между лопастями и поверхностью детали, что приводит к интенсивному проскальзыванию частиц относительно лопастей, падению эффективности съема металла с обрабатываемой поверхности и катастрофическому износу лопастей, которые профилируются по форме деталей. Для повышения производительности обработки и выравнивания контактного давления по контуру обрабатываемого профиля установочной обойме 8 и жестко соединенными с ней контейнеру 6 и деталям 5 сообщают осевые осциллирующие движения относительно уплотненных инерционными силами абразивных брусков. Эластичность уплотненных абразивных брусков позволяет избежать разбивки профиля, приводит к более равномерному съему металла с фасонной поверхности и создает благоприятные условия обработки труднодоступных участков профиля. Привод осциллирующих движений вибратора 9 включают после сообщения вращения секционному инструменту 1 от патрона 10 с выдержкой 5…10 секунд, необходимой для формирования плотных брусков лопастями инструмента. Таким образом, в процессе обработки создаются условия, аналогичные хонингованию внутренней поверхности эластичными абразивными брусками - «хонами».
Чтобы обеспечить эффективное осевое перемещение всей совокупности частиц, уплотненных лопастями инструмента в бруски, необходимо параметры осцилляции выбирать из условия
о
-1
где A и ω - амплитуда и круговая частота осцилляции соответственно, мм и с;
u
ω - угловая скорость вращения инструмента, рад/с;
R - радиус обрабатываемой поверхности детали (для профильной поверхности наибольший радиус), мм;
a
K - коэффициент надежности, K=1 при исходной шероховатости обрабатываемой поверхности R≤2,5 мкм и K=1,5 при более грубой шероховатости;
f - коэффициент трения частиц обрабатывающей среды и поверхности детали.
a
При выполнении этого условия силы инерции от осциллирующих движений детали оказываются достаточными, чтобы создать осевой импульс, необходимый для смещения прижатых центробежными силами частиц твердой фракции по образующей поверхности. Значение коэффициента надежности K рекомендуется принимать равным единице при исходной шероховатости обрабатываемой поверхности R≤2,5 мкм и K=1,5 при более грубой шероховатости.
Для отвода тепла, возникающего при абразивном резании в замкнутом объеме контейнера, одновременно с вращением инструмента подают под давлением охлаждающую жидкость в торовую полость, охватывающую контейнер, и обеспечивают ее принудительную циркуляцию, что позволяет снизить температуру в контейнере и обеспечить стабильное качество поверхности обрабатываемых деталей.
Устройство для реализации способа работает следующим образом. На секционный инструмент 1 (см. фиг.1-4) в продольные пазы лопастей 2 устанавливаются накладки 3 из полимерного материала и путем перемещения накладок в поперечных пазах 19 выставляется необходимый радиальный зазор Δr, а накладки закрепляются винтами 4. Обрабатываемые детали 5 устанавливаются в контейнер 6, образуя жесткий в осевом направлении пакет. Затем заливается обрабатывающая среда и вставляется секционный инструмент 1. Контейнер герметично закрывается крышкой 7. Сопряжение цилиндрического хвостовика секционного инструмента 1 с крышкой 7 обеспечивает центрирование инструмента в контейнере, а уплотнительные элементы (кольца) 16, 17 и 18 создают герметичность рабочей полости контейнера. Установочная обойма 8 коническим хвостовиком центрируется в корпусе вибратора 9 и жестко закрепляется посредством тяги, ввернутой в резьбовое отверстие на торце хвостовика. Контейнер 6 в сборе при помощи центрирующих поясков 11 и 12 устанавливается в гильзу 8 и соединяется с ней посредством винтов, жестко фиксирующих фланцы крышки 7 и обоймы 8 и пакет деталей 5 в осевом направлении. Цилиндрический хвостовик инструмента зажимается патроном 10 привода. Торовая полость 13 посредством штуцеров 20 и 21 подключается к системе принудительной циркуляции охлаждающей жидкости. Уплотнительными элементами 14 и 15 достигается герметизация торовой полости 13.
u
Включается привод и через патрон 10 вращение с угловой скоростью ω передается инструменту. Лопастями 2 при вращении секционного инструмента 1 уплотняется твердая фракция суспензии до образования плотных брусков (см. фиг.6), которые копируют профиль обрабатываемых поверхностей деталей. Одновременно с приводом вращения инструмента в торовую полость 13 подается под давлением охлаждающая жидкость для отвода тепла от стенок контейнера и охлаждения деталей.
С выдержкой 5…10 секунд включается привод осциллирующих движений вибратора 9. Вибрации от установочной обоймы 8 и контейнера 6 передаются деталям 5. Демпферы 23 и 24 предназначаются для предотвращения соударений секционного инструмента 1 с контейнером 6 и крышкой 7 при настройке вибратора.
По окончании времени обработки, определяемой состоянием исходной поверхности, при помощи реле времени отключается привод вращения инструмента. Одновременно отключаются привод вибратора 9 и насос циркуляции охлаждающей жидкости. Открепляются кулачки патрона 10 и винты, соединяющие фланцы крышки 7 и обоймы 8. При помощи съемника через паз 22 смещается влево и извлекается из обоймы 8 контейнер 6. Снимается крышка 7 с секционным инструментом 1, выливается в бак суспензия, промывается контейнер, извлекаются обработанные детали 5. Производится установка новой партии деталей, и цикл обработки повторяется аналогично описанному выше.
ПРИМЕР
Э
Э
a
Обработке подвергались закаленные до твердости 60…62 НРС прядильные кольца с профильной внутренней поверхностью (наибольший радиус внутренней поверхности R=23 мм, высота кольца h=10 мм, материал - сталь45 после нитроцементации и закалки), а также гильзы тормозных цилиндров (сталь45, закалка до твердости 41…46 HRC), внутренний радиус гладкой цилиндрической поверхности гильзы R=33,75 мм, высота гильзы h=218 мм). Исходная шероховатость поверхности R=2,5 мкм.
В качестве шлифовального материала использовалась гидроабразивная суспензия из электрокорунда белого марки 25А зернистости 80 с концентрацией абразива в жидкости 2:1.
Технологические режимы обработки:
u
- угловая скорость вращения инструмента ω=100 рад/с;
o
-1
- круговая частота колебаний ω=251,2 с;
o
- частота колебаний ν=ω/2π=40 Гц;
- амплитуда колебаний А=1,5 мм;
- радиальный зазор между лопастями инструмента и обрабатываемой поверхностью - Δr=1,5 мм - для прядильных колец;
- для гладких поверхностей гильз тормозных цилиндров обработка производится без зазора между радиальными лопастями крыльчатки и гильзой;
- основное (машинное) время обработки t=120 с.
a
Коэффициент трения абразивных частиц по металлу f=0,25; коэффициент надежности (при R≤2,5 мкм) K=1.
a
a
Шероховатость рабочей поверхности прядильных колец после обработки составила R=0,16…0,18 мкм, а гильз тормозных цилиндров R=0,18…0,2 мкм.
По сравнению с прототипом машинное время обработки уменьшается в 1,5…2 раза, достигается однородная шероховатость поверхности по профилю детали, исключается ручной труд по дополировке труднодоступных участков профиля колец.
Износостойкость лопастей инструмента при использовании накладок из полиуретана возросла до 20 раз по сравнению со стальными закаленными лопастями.
При увеличении радиального зазора до величины Δr=2,25 мм на фасонной поверхности прядильных колец появляются непрошлифованные участки, что требует ручной дополировки колец.