УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ

Предлагаемое техническое решение относится к способам и устройствам для полирования, в частности к устройствам для полирования и точной обработки различных поверхностей с применением магнитореологической жидкости и может найти применение в оптическом производстве, электронной промышленности, точном машиностроении для получения высокоточных оптических и полупроводниковых деталей сферической, асферической, выпуклой и вогнутой формы, а также плоской поверхности. Кроме того, оно может применяться для придания высокоточной формы полированных изделий из немагнитных металлов.
Ближайшим техническим решением к предлагаемому (прототип) является патент США [1], описывающий схему устройства для полирования поверхностен изделий и схему подачи магнитореологической жидкости к обрабатываемой поверхности. Устройство содержит рабочий инструмент в виде вращающегося колеса, обеспечивающий полирование обрабатываемых поверхностей, внутри которого находится магнитная система, Отдельно выполнена система, подачи и рециркуляции магнитореологической жидкости к рабочему инструменту, осуществляемая с помощью подающего насоса от электродвигателя. Магнитореологическая жидкость представляет собой суспензию (взвесь) ферромагнитных частиц в диспергирующей (несущей) среде и полирующих частиц. Со временем частицы суспензии седиментируют (оседают), поэтому осуществляется постоянное их перемешивание с помощью центробежного насоса, совмещенного с емкостью с магнитореологической жидкостью. Часть несущей среды может переноситься па обрабатываемую поверхность и испаряться с нее. Различные системы устройства связаны между собой системой
трубопроводов. На рабочий инструмент через выходной канал и форсунку подается магнитореологическая жидкость с постоянным расходом, который обеспечивается центробежным подающим насосом, и с постоянной консистенцией (вязкостью) которая обеспечивается дозатором. Дозатор осуществляет требуемый впрыск несущей жидкости по мере ее испарения с инструмента. Давление, связанное с расходом и консистенций МРЖ, контролируется датчиком давления. Специальный съемник позволяет снимать с поверхности инструмента магнитореологическую жидкость и через систему трубопроводов возвращать ее с помощью специального отсасывающего насоса в емкость с центробежным подающим насосом. Все указанные выше элементы соединены с компьютером (система управления элементами), обеспечивающим общее управление процессом подачи магнитореологической жидкости к рабочему инструменту по заданному алгоритму.
Однако указанное устройство обладает следующими недостатками:
- сложность конструкции системы по доставке магнитореологической жидкости к рабочему инструменту и ее откачке;
- невозможность быстрой переналадки устройства для обработки поверхностей различной номенклатуры изделий, так как требуют целой серии дополнительных операций, таких как: слив магнитореологической жидкости в тару для хранения, промывка всей системы подачи и рециркуляции, просушка, замена магнитореологической жидкости, настройка системы автоматики на другой тип магнитореологической жидкости.
- в перерывах между производственными циклами необходима работа всего станка в холостом режиме, чтобы избежать процесса седиментации суспензии магнитореологической жидкости;
- конструктивное разделение рабочего инструмента с магнитной
системой и устройств доставки магнитореологической жидкости к рабочему инструменту ведет к удлинению проводящих трубопроводов, увеличению давления в форсунке, и как следствие, увеличение нагрузки на подающий насос;
- работа центробежного насоса ведет к значительному уменьшению срока службы магнитореологической жидкости на 30-50% за счет разрушения оболочки частиц магнитореологической жидкости и увеличения интенсивности окислительного процесса;
- работа центробежного насоса также ведет к увеличению интенсивности процесса нагрева магнитореологической жидкости.
Задачей заявляемого устройства является упрощение конструкции, увеличение производительности и надежности процесса полирования расширение номенклатуры обрабатываемых изделий за счет обеспечения возможности быстрой переналадки устройства.
Задача решается следующим образом. Известное устройство содержит рабочий инструмент в виде вращающегося колеса, внутри которого находится магнитная система, подающий насос, связанный с форсункой подачи магнитореологической жидкости к рабочему инструменту с помощью электродвигателя, давление которой контролируется, датчиком давления, систему перемешивания, расположенную в емкости с магнитореологической жидкостью, связанных системой трубопроводов. Устройство снабжено также съемником магнитореологической жидкости, дозатором несущей жидкости, обеспечивающим постоянство консистенции магнитореологической жидкости, и системой управления элементами.
Согласно предлагаемому техническому решению устройство дополнительно снабжено системой термостатирования и гасителем пульсаций магнитореологической жидкости поступающей на рабочий инструмент и выполненным в виде герметичной емкости с каналами,
причем, рабочий инструмент с расположенной внутри магнитной системой и подающий насос связаны единым приводом вращения, емкость с магнитореологической жидкостью совмещена с дополнительно введенной системой термостатирования, представляющей собой теплообенник, установленный вокруг емкости с магнитореологической жидкостью, внутри которой размещен термодатчик, причем теплообменник связан с водяным электроклапаном, обеспечивающим подачу охлаждающей воды, а механизм перемешивания выполнен в виде электродвигателя, на валу которого установлена крыльчатка, причем все перечисленные узлы устройства связаны между собой системой трубопроводов в единый блок, обеспечивающий обработку конкретных изделий и возможность быстрой переналадки устройства.
Кроме того, герметичная емкость гасителя пульсаций представляет собой цилиндрическую часть, переходящую в коническую, причем, цилиндрическая часть снабжена крышкой, с установленным в ней входным каналом, связанным, по крайней мере, с четырьмя каналами, расположенными под углом 90° друг к другу и имеют наклон 30-40° по отношению к плоскости перпендикулярной внутренней стенке емкости, а нижний диаметр конической части совпадает с диаметром выходного канала.
Таким образом, заявленное устройство конструктивно решено в виде единого блока (кассеты), в котором находятся все необходимые узлы и элементы, для поддержания необходимых свойств магнитореологической жидкости. Такое решение позволяет осуществлять быструю смену одной кассеты на другую, при обработке разной номенклатуры изделий, а также улучшить технологические возможности хранения МРЖ в перерывах между производственными циклами. Кроме того, размещение рабочих узлов устройства в одном
блоке, обеспечивает возможность создавать блоки, соответствующие конкретному обрабатываемому материалу и виду операций, что обеспечивает увеличение стабильности процесса обработки, упрощает процесс перезаправки магнитореологической жидкости (очистка и промывка) за счет уменьшения общей поверхности контакта магнитореологической жидкости с элементами системы доставки и уменьшения количества элементов этой системы. А также обеспечивает возможность аварийной остановки системы доставки и рециркуляции магнитореологической жидкости посредством остановки только одного элемента - двигателя привода рабочего инструмента.
На фиг.1 представлена схема общего вида заявляемого устройства для полирования поверхностей изделия.
На фиг.2 показана конструкция гасителя пульсаций.
Устройство содержит рабочий инструмент 1, выполненный в виде вращающегося колеса, с расположенной внутри него неподвижной магнитной системой 2. Вращающееся колесо рабочего инструмента 1 связанно, шкивами 3 передачи вращения с подающим насосом 4, который обеспечивает подачу магнитореологической жидкости в зону обработки. Работа привода вращения осуществляется электродвигателем 5. Съемник 6, предназначен для съема магнитореологической жидкости с рабочего инструмента 1 и поступления ее в емкость 7 для сбора магнитореологической жидкости, внутри которой расположен механизм перемешивания, выполненный в виде электродвигателя 8, на валу которого расположена крыльчатка 9, обеспечивающая постоянное перемешивание магнитореологической жидкости. Система термостатирования устройства включает теплообменник 10, расположенный вокруг емкости 7, внутри которой помещен термодатчик 11, а теплообменник 10 связан с водяным электроклапаном 12 для подачи охлаждающей воды. Постоянные
реологические свойства магнитореологической жидкости поддерживаются дозатором 13, который поддерживает нужную консистенцию магнитореологической жидкости. В общую систему трубопроводов 14 встроены гаситель гидравлических пульсаций 15, датчик давления 16 и форсунка 17. Система управления элементами 18 управляет всеми системами устройства, обеспечивающими процесс полирования изделий. Струя магнитореологической жидкости в виде узкой дорожки 19 имеет эллипсовидную форму в сечении, которая находится на поверхности рабочего инструмента 1, соприкасаясь с обрабатываемым изделием 20. Гаситель пульсаций 15 (Фиг.2) представляет собой цилиндрическую емкость 21, плавно переходящую в ее коническую часть 22 с выходным каналом 23, через который магнитореологическая жидкость поступает на датчик давления 16 и форсунку 17. Крышка 24, герметично закрывает емкость 21 и снабжена входным каналом 25, связанным с четырьмя разделительными каналами 26, расположенными под углом 90° друг к другу, каждый из которых имеет наклон 30-40° по отношению к плоскости перпендикулярной внутренней стенке емкости 21. Воздушная прослойка, которая образуется в верхней части цилиндрической емкости 21 между крышкой 24 с каналами 25 и 26 и конической частью 22, является демпфирующим элементом, что позволяет снизить амплитуду перепадов давления мангнитореологической жидкости, которая возникает в подающем насосе 4.
Устройство работает следующим образом.
Магнитореологическая жидкость находится в емкости 7, откуда она при включении электродвигателя 5, приводящего в действие подающий насос 4, поступает в гаситель гидравлических пульсаций 15, где поступив во входной капал 25, разделяется па четыре равные части по четырем разделительным каналам 26 и стекает в цилиндрическую
по четырем разделительным каналам 26 и стекает в цилиндрическую емкость 21 по ее стенкам. Разделительные каналы 26 обеспечивают равномерное поступление мангнитореологической жидкости в цилиндрическую часть емкости 21, после чего она попадает в ее коническую часть 22, нижний диаметр конуса которой равен диаметру выходного канала 23. Эти условия плавного перехода цилиндрической части емкости 21 в ее коническую часть 22 и равные диаметры ее нижней части и выходного канала 23 позволяют исключить процесс агрегации твердых частиц мангнитореологической жидкости. Разделение потока мангнитореологической жидкости на четыре части и равномерное ее отекание вдоль стенок гасителя пульсаций 15 обеспечивает образование воздушной подушки. Воздушная подушка вместе с частью мангнитореологической жидкости, частично заполняющая емкость гасителя пульсаций 15 образует гидравлический фильтр, подавляющий пульсации давления. Из гасителя колебаний 15 мангнитореологическая жидкость через датчик давления 16 и форсунку 17 в виде дорожки 19, имеющей эллипсовидную форму в сечении, подается на рабочий инструмент 1. При этом обеспечивается постоянство расхода, и постоянство реологических параметров МРЖ, обеспечиваемые дозатором 13. Одновременно с включением подающего насоса 4 начинается синхронное вращение рабочего инструмента 1, с помощью шкивов 3. Соотношение размеров шкивов 3 выбирают таким образом, чтобы между числом оборотов рабочего инструмента 1 и числом оборотов подающего насоса 4 существовало определенная пропорция, которая позволяет получить величину линейной скорости поверхности инструмента равной 1 м/сек. к расходу подающего насоса, составляющего 450-600 мл/мин. Это соотношение определяет линейную скорость движения и поперечные размеры дорожки 19 мангнитореологической жидкости, как функцию расходной
характеристики подающего насоса 4 и скорости вращения рабочего инструмента 1. Дорожка 19 с мангнитореологической жидкостью, пройдя зону градиентного магнитного поля с индукцией потока 250-350 мТ, которое создает магнитная система 2, меняет свои реологические свойства - переходит из жидкого состояния в вязкопластическое. Поверхность обрабатываемого изделия 20 вводят в соприкосновение с дорожкой 19 мангнитореологической жидкости, находящейся в вязкопластичном состоянии, при этом происходит процесс обработки. Двигаясь далее, дорожка 19 выходит из зоны воздействия магнитного поля и мангнитореологическая жидкость снова переходит в жидкое состояние. Затем с помощью съемника 6 мангнитореологическая жидкость стекает в емкость 7, вокруг которой расположен теплообенник 10, обеспечивающий термрстатирование устройства. На отрезке течения мангнитореологической жидкости между гасителем пульсаций 15 и форсункой 17 находится датчик давления 16, основная функция которого - аналоговый сигнал о состоянии давления мангнитореологической жидкости в системе подачи. Эти данные являются основой алгоритма управления реологическими свойствами мангнитореологической жидкости. Постоянные реологические параметры, в частности, консистенция (вязкость), в основном определяющая расход мангнитореологической жидкости при заданном давлении, диаметре и длине канала, обеспечивается поступлением из дозатора 13 несущей жидкости (составная часть мангнитореологической жидкости) по мере ее испарения с рабочего инструмента 1, который по команде системы управления элементами 17, впрыскивает ее в емкость 7 и тем самым регулирует ее реологические свойства. Кроме того, определенное превышение нормального давления мангнитореологической жидкости (в 1,5-2 раза) является аварийной ситуацией и служит командой для
отключения электродвигателя 5. Температура оказывает существенное влияние на реологические свойства мангнитореологической жидкости, в частности, консистенция падет с ростом температуры. Поэтому данные о температуре с термодатчика 11 системы термостатирования поступают в систему управления элементами 18, которая при определенном превышении температуры включает электроклапан охлаждающей воды 12. Крыльчатка 9 механизма перемешивания, работающая от электродвигателя 8, выполнена таким образом, чтобы лопасти и количество оборотов обеспечивали условие, при котором не происходит процесс агрегации мангнитореологической жидкости и одновременно не происходит ее седиментация. В заявляемом устройстве рабочий инструмент 1, и вся система подачи и рециркуляции мангнитореологической жидкости конструктивно размещены в одном блоке (кассете). В кассете также находятся все необходимые датчики, система поддержания необходимых свойств мангнитореологической жидкости посредством точного дозирования несущей среды. Такое решение позволяет осуществлять быструю смену кассеты на другую, при обработке различной номенклатуры изделий, а также улучшить технологические возможности хранения мангнитореологической жидкости в перерывах между производственными циклами. В предлагаемом устройстве кассета снимется и помещается в место хранения, где происходит непрерывное размешивание мангнитореологической жидкости. Это существенное преимущество заявляемого устройства при производстве различной номенклатуры обрабатываемых изделий. Кроме того, снимая кассету с одним составом мангнитореологической жидкости, на ее место ставится другая кассета с другим составом мангнитореологической жидкости, что дает возможность обработки изделий из другого материала.
Компактность и быстрая переналаживаемость работы заявляемого
устройства при замене обрабатываемых изделий, за счет смены блочных малогабаритных кассет выгодно отличает его от всех известных технических решений в данной области. Кроме того, появляется возможность улучшения качественных характеристик мангнитореологической жидкости.
Источник информации:
Патент US 6,955,589, МПК В24В 49/00, опубл. 2005 г.