УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ШЛИФОВАНИЕМ И УПРОЧНЕНИЕМ ВОДОЛЕДЯНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
DEVICE FOR COMBINED GRINDING AND HARDENING BY WATER-ICE TOOL

Изобретение относится к технологии машиностроения, к механической комбинированной обработке материалов связанным абразивом, к шлифованию и упрочнению водоледяным инструментом.
Известно устройство для струйно-абразивной обработки круглых и плоских поверхностей деталей машин, которые закрепляются на подвижном суппорте суперфинишного станка мод. ВС-22, при этом упрочняющий инструмент, струйный пистолет, присоединен посредством тяги к неподвижной головке станка и служит в качестве ускорителя абразивных частиц [1]. В корпусе струйного пистолета размещено круглое воздушное сопло и коническое выходное сопло, причем абразивная суспензия поступает по отдельному каналу в камеру и разгоняется в коническом выходном сопле потоком сжатого воздуха, поступающего в круглое воздушное сопло под давлением 0,4…0,5 МПа.
Известное устройство имеет существенные недостатки: это невысокое качество изделий и невысокая стойкость обработанных поверхностей, низкая производительность и высокая величина получаемой шероховатости поверхности.
Поставленная задача изобретения - расширение технологических возможностей отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей машин, повышение качества изделий путем использования обработки шлифованием в комбинации с водоледяным упрочнением, а также снижение трудоемкости процесса благодаря одновременности обработки.
Данный технический результат достигается при помощи предлагаемого устройства для комбинированной обработки плоских поверхностей шлифованием и упрочнением, которое содержит шлифовальный круг и расположенный за ним инструмент для упрочнения, закрепленный на кожухе шлифовального круга. При этом для упрочнения использован водоледяной инструмент, состоящий из расположенной в корпусе камеры смешивания с размещенной вдоль ее продольной оси струеформирующей насадкой, питаемой посредством штуцеров и трубопроводов жидким азотом и смазочно-охлаждающей жидкостью высокого давления.
Особенности использования предлагаемого устройства поясняются чертежами.
На фиг.1 показана схема обработки предлагаемым устройством, общий вид сбоку; на фиг.2 - вид по А на фиг.1, вид с торца шлифовального круга; на фиг.3 - водоледяной инструмент, продольный разрез; на фиг.4 - вид сверху по Б на фиг.2.
РЕЗ
ПОП
ПР
Предлагаемое устройство предназначено для комбинированной обработки плоских поверхностей шлифованием с одновременным упрочнением водоледяным инструментом на плоскошлифовальных станках, при этом на кожух 1, ограждающий шлифовальный круг 2, крепится водоледяной инструмент 3. Шлифовальному кругу 2 сообщают вращательное движение резания V и поперечную подачу S, а столу станка, где закреплена плоская заготовка 4, сообщают продольную подачу S, как при традиционном плоском шлифовании. Для исключения прижогов и микротрещин в начале работы, когда еще ширина шлифуемой поверхности не достигла величины ширины шлифовального круга, применяют смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ), подаваемую через сопло 5 в зону шлифования. По достижении величины ширины шлифования, равной ширине (высоте) шлифовального круга, подача СОЖ прекращается, а затем - начинается высоконапорная подача потока СОЖ через водоледяной инструмент 3 вплоть до окончания комбинированной обработки. В результате одновременно решается задача упрочнения и смазывающего охлаждающего воздействия зоны обработки из-за образовавшегося тумана СОЖ после выхода струи из водоледяного инструмента и удара о поверхность.
Упрочняющий водоледяной инструмент 3 содержит корпус 6, в котором расположена камера смешения 7. Внутри камеры 7 на ее продольной оси в корпусе располагается струеформирующая насадка 8, питаемая СОЖ высокого давления (до 400 МПа). Смазочно-охлаждающая жидкость высокого давления подается к струеформирующей насадке 8 через штуцер 9 и трубопровод 10. Источник СОЖ высокого давления представляет собой агрегат, состоящий из приводной насосной станции, повысителя давления мультипликаторного типа и системы подачи СОЖ (не показаны).
Кроме того, в камеру смешивания 7 через трубопровод 11 подается жидкий азот. Установка подачи жидкого азота (не показана) состоит из сосуда Дюара, в котором находится запас жидкого азота, системы дозирования жидкого азота дроссельного типа и соединительных трубопроводов, обеспечивающих подачу жидкого азота к водоледяному инструменту.
Истекая в камеру смешивания 7 из струеформирующей насадки 8, СОЖ высокого давления увлекает за собой жидкий азот и попадает в коллиматор 12, где происходит разгон потока ледяных частиц и струи СОЖ. Все элементы водоледяного инструмента, подверженные существенным динамическим и термическим нагрузкам (струеформирующая насадка и камера смешивания), изготовлены из твердого сплава, а также имеют возможность быстрой замены.
Предлагаемое устройство позволяет вести комбинированную одновременную алмазно-абразивную и отделочно-упрочняющую обработку плоских поверхностей при максимальных режимах в начале шлифованием, а затем ведется обработка отделочным упрочнением. Основное технологическое преимущество предлагаемой комбинированной обработки состоит в том, что при шлифовании образуются следы резания - направленные риски, при последующем упрочнении водоледяным инструментом формируется специфический микрорельеф; уменьшаются микронеровности, выглаживаются риски и упрочняется поверхностный слой.
a
a
Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных поверхностей уменьшился до значения R=0,32…0,63 мкм при исходном - R=3,2…6,3 мкм, производительность повысилась более чем в три раза по сравнению с традиционным шлифованием и последующим упрочнением - обкатыванием на двух разных станках.
Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя показали, что максимальные остаточные напряжения находятся близко к поверхности, как при чеканке, что благоприятно для большинства сопрягаемых деталей механизмов и машин. Сравнение глубины напряженного и упрочненного слоя, градиента напряжений и градиента наклепа показывает, что глубина напряженного слоя в 1,15…1,35 раза больше, чем глубина наклепанного слоя, что согласуется с теорией поверхностного - пластического деформирования.
а
Достигаемая в процессе обработки предельная величина шероховатости составляет R=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 4 раза. Глубина упрочненного слоя достигает 0,5…1,5 мм, что значительно (в 1,5…2 раза) больше, чем при традиционном упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15…25%. В результате обработки предлагаемым устройством по сравнению с традиционным накатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 1,5…2,2 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более - в 1,3…1,6 раза.
a
a
РЕЗ
ПР
ПОП
-1
Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, шлифованного и упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки «планок» с использованием комбинированного отделочно-упрочняющего инструмента. Заготовку «планку», установленную на магнитном столе станка, шлифовали и упрочняли на плоскошлифовальном станке мод. 3П722. Предлагаемое устройство имело отделочно-упрочняющую часть в виде водоледяного инструмента, установленного на кожухе шлифовального круга. Заготовка изготовлена из стали 40Х ГОСТ 1050-74, припуск на сторону - t=0,35 мм. Обрабатывали планку в размер по высоте 32,7±0,1; исходный параметр шероховатости R=3,2 мкм, достигнутый - R=0,63; шлифовальный круг - ПП 14А25ПСМ27К1А 35 м/с; диаметр круга 450 мм, ширина круга 80 мм. Обрабатывали заготовки на следующих режимах: скорость вращения круга V=35 м/с, (1500 мин); скорость продольного перемещения S=16 м/мин, поперечная подача круга S=15 мм/ход стола; подача на глубину на проход - 0,015 мм. Комбинированная обработка велась с применением различных смазывающе-охлаждающих жидкостей, подаваемых в зоны шлифования (вначале обработки) и упрочнения. При этом применялись сульфофрезол (5%-ная эмульсия), водный раствор соды с добавкой противокоррозионных добавок, осерненное масло. Для всех видов применяемых СОЖ достигалось необходимое качество комбинированной обработки.
Для проведения экспериментальных исследований по изучению влияния основных действующих факторов на показатели процесса водоледяного упрочнения была разработана специальная установка, состоящая из трех основных частей: источника СОЖ высокого давления, водоледяного инструмента и установки подачи жидкого азота.
Источник СОЖ высокого давления представляет собой агрегат, состоящий из масляной приводной насосной станции, повысителя давления мультипликаторного типа и системы подачи СОЖ (не показан).
Масляная приводная насосная станция предназначена для питания потребителя - повысителя давления гидравлической энергией масляного потока и представляет собой смонтированные на общей раме асинхронный электродвигатель, приводящий во вращение аксиально-поршневой насос переменной подачи, маслобак, элементы гидроуправления и автоматики, объединенные между собой при помощи гидромагистралей. Конструкция приводной насосной станции обеспечивает подачу потока рабочей жидкости - гидравлического масла с давлением до 32 МПа и расходом до 90 л/мин. Повыситель давления представляет собой двухсторонний гидроцилиндр, обеспечивающий преобразование низкого давления масла на входе в высокое давление СОЖ на выходе. Коэффициент мультипликации используемого повысителя давления составляет 7 единиц. Реверсирование движения поршня-штока осуществляется при помощи гидроуправления.
Нагнетание высоконапорной СОЖ осуществляется попеременно правой и левой полостью через напорные клапаны в общий трубопровод высокого давления. От повысителя давления высоконапорная СОЖ поступает в аккумулятор высокого давления, предназначенный для сглаживания пульсации давления, и далее в водоледяной инструмент. Для питания повысителя давления СОЖ низкого давления, заполняющей полости повысителя через всасывающие клапаны, используется специальная насосная установка низкого давления.
Основные технические характеристики стендовой установки:
- давление высоконапорной СОЖ - до 400 МПа;
- диаметр струеформирующей насадки - 0,0002; 0,00025; 0,0003 м;
- суммарная мощность электродвигателей стендовой установки - 40 кВт;
- соотношение диаметра коллиматора и струеформирующей насадки - 5; масса стендовой установки (без учета рабочих жидкостей) - 480 кг.
Установка подачи жидкого азота (не показана) состоит из сосуда Дюара, в котором находится запас жидкого азота, системы дозирования жидкого азота дроссельного типа и соединительных трубопроводов, обеспечивающих подачу жидкого азота к водоледяному инструменту. Все элементы установки подачи жидкого азота имеют термоизолирующее покрытие для уменьшения интенсивности теплообмена с окружающей средой и предотвращения обледенения трубопроводов и других элементов установки.
Для изучения влияния геометрических параметров камеры смешивания на показатели насыщения струи СОЖ ледяными частицами предусмотрена возможность изменения внутреннего ее диаметра и длины камеры посредством закладных втулок 7 (см. фиг.3).
м
м
баз
Требуемая шероховатость и точность плоской поверхности была достигнута за Т=1,75 мин (против Т =6,75 мин по базовому варианту при традиционной обработке шлифованием с последующим обкатыванием). Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68 и на профилометре мод. 283 тип АII ГОСТ 19300-86. В обработанной партии (равной 100 штук) бракованных деталей не обнаружено. Отклонение обработанной поверхности от плоскости составило не более 0,02 мм, что допустимо ТУ.
Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей машин, повышение качества изделий и надежности инструмента путем использования обработки шлифованием в комбинации с водоледяным упрочнением, снижает трудоемкость процесса благодаря одновременности обработки, снижает себестоимости изготовления, повышает производительность обработки, стойкость и снижает величину шероховатости обработанных поверхностей.
Источники информации
1. Наерман М.С., Ивочкин П.М. Струйно-абразивная обработка резьбонакатного инструмента. - Станки и инструмент. 1981. №5, с.18-20 - прототип.