СПОСОБ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ С ЗАДАННОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ
METHOD AND TOOL FOR SURFACE FORMING TO PRESET ROUGHNESS

Изобретение относится к способу формирования поверхности с заданной шероховатостью, в частности, например, цилиндрической поверхности со структурой с заданной геометрией, предназначенной для нанесения материала термическим напылением согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Также изобретение относится к инструменту и устройству для осуществления этого способа. Кроме того, в состав изобретения входят соответствующий комбинированный инструмент, в т.ч. хонинговальный инструмент, манипулятор для пользования им, и способ механической обработки для целевого и воспроизводимого изготовления поверхности с заданными качеством и геометрией.
Для решения определенных технических проблем, в частности, трибологических, часто возникает необходимость в нанесении на поверхность подложки покрытия из материала с совершенно определенными свойствами, оптимально соответствующими условиям применения. По сравнению с решениями, согласно которым несколько компонентов соединяются между собой либо механически, либо склеиванием или пайкой, указанные покрытия обладают преимуществом, состоящим в том, что создается чрезвычайно компактная конструкция в сочетании с относительно большой контактной поверхностью примыкающих материалов, в результате чего такая техника соединения особенно предпочтительна для термически высоко нагруженных компонентов. При нанесении покрытия достигается очень хорошее молекулярное сцепление, вследствие чего особенно хорошо может отводиться тепловая энергия.
В области применения металлических материалов такие покрытия часто наносятся так называемым «термическим напылением», причем в данном случае наряду с так называемым пламенным напылением в последнее время стало применяться так называемое плазменное напыление или электродуговое напыление. При этом частицы порошка и/или проволоки с большой термической и кинетической энергией направляются или напыляются на поверхность подлежащей покрытию подложки, образуя здесь после отвода тепла необходимый слой покрытия.
Наряду с точным соблюдением параметров процесса, для предупреждения так называемых структурных пор, т.е. для предупреждения включения не заполняемых более пустот или так называемого «избыточного напыления» (overspray), при котором часть не расплавившихся частиц не сцепляется с подложкой, а отскакивает от нее, для надежного использования такого способа изготовления решающее значение имеет механическое сцепление между покрытием и подложкой для обеспечения достаточно высокой степени сцепления покрытия. В таком случае присутствует необходимость придания поверхности подложки структуры с заданной геометрией для обеспечения равномерного механического сцепления покрытия по всей покрываемой поверхности. При этом выяснилось, что часто недостаточно придавать шероховатость и/или активировать поверхность подложки, например, пескоструйной обработкой или водяными струями.
Если, например, на блок цилиндров нанести соответствующие покрытия посредством термического напыления, то образуется износостойкая рабочая поверхность с малыми потерями на трение.
Такая нанесенная матрица, например стальная, испытывает во время эксплуатации не малые механические нагрузки, вследствие чего для обеспечения достаточного срока службы покрытие должно иметь прочное соединение с подложкой, например, в виде алюминиевой отливки. В частности, задача состоит в том, чтобы поверхность покрываемого материала была обработана так, чтобы образовалась особо пригодная поверхность для термического напыления с точно заданными геометрическими параметрами, при этом необходимо, чтобы технологический процесс был построен таким образом, чтобы требуемая структура поверхности могла быть получена с возможностью воспроизведения при минимальном разбросе для обеспечения достаточного соединения.
В этой связи было принято во внимание, чтобы поверхность подложки, например алюминиевой отливки, обрабатывалась резанием с помощью инструмента последовательного действия, при этом поперечное сечение бороздок обрабатывается до конечного размера последовательно входящими в зацепление режущими зубьями. Правда с помощью ранее сконструированных инструментов такого типа имелось намерение образовать в предварительно обработанной цилиндрической поверхности, например, алюминиевой отливке, соответствующие структуры. Однако на практике возникла проблема, заключающаяся в том, что такие структуры не могут быть образованы в подложке при сохранении постоянными качества и точности формы. Сила адгезии покрытия, наносимого затем термическим напылением, варьируется в слишком больших пределах. Следовательно, до настоящего времени отсутствовала возможность применения данного способа в серийном производстве.
Поэтому в основу изобретения положена задача усовершенствования способа формирования, например, цилиндрической поверхности с заданной структурой согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения таким образом, чтобы он мог применяться в серийном производстве для поверхности подложки, оптимально подготовленной для термического напыления. Другая задача состоит в том, чтобы был создан инструмент для осуществления способа, с помощью которого может быть получена особенно экономичная, высоко точная и подверженная незначительным отклонениям формы поверхность подложки, оптимально подготовленная для нанесения материала термическим напылением.
Задача изобретения состоит также в создании устройства для осуществления способа с применением инструмента согласно изобретению.
Указанные задачи решаются: применительно к способу - технологическими операциями согласно п.1 формулы изобретения, применительно к инструменту - признаками п.13 формулы изобретения, и применительно к устройству - признаками п.26 формулы изобретения.
Согласно изобретению бороздчатая структура поверхности подложки создается таким образом, что сначала, например, на цилиндрической поверхности подложки выбирается или нарезается или формируется базовая бороздка с шириной дна, которая меньше ширины дна готовой бороздки. И лишь после этого эту базовую бороздку обрабатывают далее резанием или без снятия стружки таким образом, что, по меньшей мере, на одной стороне или боковой поверхности выбранной в подложке бороздки образуется контур, который оптимально подготовлен для последующего термического напыления. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одна боковая поверхность бороздки обрабатывалась таким образом, чтобы происходило поднутрение или подобное ему сужение выполненных в поверхности бороздок. Благодаря таким сужениям бороздок удается обеспечить чрезвычайно прочное сцепление между подложкой и покрытием. При таком постепенном формировании бороздчатой структуры обеспечивается положение, при котором на входящих затем в зацепление зубьях или режущих кромках возникают сохраняющиеся постоянными усилия.
Согласно предпочтительному варианту выполнения инструмент может быть выполнен в виде инструмента последовательного действия. Другие предпочтительные варианты выполнения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Особо предпочтительно, чтобы выбранная обработкой без снятия стружки или резанием бороздка деформировалась таким образом, чтобы отверстия выбранных бороздок сужались в результате осаживания материала. Предпочтительно осаживания материала могут проводиться одновременно с изготовлением контура бороздок и предпочтительно с применением того же инструмента. Таким образом, достигается особо эффективное поднутрение для прочного сцепления между наносимым напылением покрытием и цилиндрической поверхностью.
Во время опытов было установлено, что такой тип обработки боковой поверхности бороздок надежно защищает от так называемого «замасливания», которое, в частности, при обработке относительно мягких материалов, как, например, алюминия, служит причиной неточности формы создаваемой структуры бороздок. Таким образом, например, в цилиндрической внутренней поверхности можно было выбрать поднутренную бороздку при ширине дна до 0,18 мм, глубине примерно 0,14 мм и при шаге бороздки (спиральном шаге) примерно 0,7 мм при сохранении постоянной геометрии бороздки, при этом даже удалось ограничить отверстие бороздки, обращенного в сторону наносимого материала, до ширины 0,12 мм. Этим обеспечиваются особо благоприятные условия для нанесения материала термическим напылением, например, плазменным и электродуговым способами напыления.
Особо предпочтительный вариант осуществления способа является предметом пункта 7 формулы изобретения. Согласно ему можно, например, с помощью инструмента последовательного действия с максимально простой кинематикой образовать быстро и экономично необходимую структуру поверхности.
Согласно изобретению постепенная обработка для формирования окончательного профиля бороздок позволяет оптимизировать в широких пределах поверхности с бороздчатой структурой, т.е. боковые поверхности и/или дно бороздки (бороздок) для оптимизации сцепления между подложкой и наносимым материалом. Это достигается за счет того, что обработанной поверхности по п.8 формулы изобретения придается микроструктура.
Согласно изобретению инструмент для осуществления способа характеризуется тем, что перед зубьями для формирования бороздчатой структуры, например, на прямоугольной формирующей и режущей пластине расположен предохранительный зуб для предварительной обработки, величина выступа которого меньше величины выступа последующих зубьев для предварительной обработки и формирования бороздки. Предохранительный зуб для предварительной обработки может поэтому использоваться для направления и стабилизации формирующей и режущей пластины при заглублении в цилиндрическую поверхность подложки. Таким образом, зубья инструмента последовательного действия входят с большой точностью в зацепление с обрабатываемой подложкой. При таком постепенном формировании бороздчатой структуры может быть, кроме того, обеспечено в последующем возникновение постоянных усилий на приходящих в зацепление зубьях или режущих кромках. В результате не только повышается точность изготовления бороздчатой структуры, но также лучше контролируется нагрузка на чрезвычайно малые зубья инструмента. Следовательно, выполненный таким образом инструмент не обладает более, в частности, из-за смазки в минимальном количестве, склонностью к описанному выше «замасливанию» на участке мелких зубьев, благодаря чему впервые удалось серийно получить требуемую бороздчатую микроструктуру с геометрией с жесткими допусками.
Предпочтительные варианты осуществления способа и инструмента являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
В принципе способ согласно изобретению применим для любых видов поверхности покрываемой подложки. Особо эффективный вариант выполнения способа достигается в том случае, когда покрываемая поверхность образована цилиндрической поверхностью подложки. В этом случае бороздчатая структура создается за счет того, что, по меньшей мере, одна спиральная бороздка выбирается в цилиндрической поверхности подложки инструментом, содержащим, подобно резьбонарезному инструменту, в избытке расположенные гребнеобразно и последовательно зубья разного сечения, обрабатывающие последовательно одну и ту же бороздку. При этом может оказаться эффективным формирование или выдавливание базовой бороздки - согласно п.4 формулы изобретения - в цилиндрической поверхности подложки. Однако также возможно изготовить такую базовую бороздку обработкой резанием.
Описанная выше бороздчатая структура должна быть сформирована при подготовке к термическому напылению таким образом, чтобы бороздки имели очень малую глубину и ширину. В соответствии с этим должен быть филигранным также инструмент для изготовления бороздчатой структуры. Если с учетом этого усовершенствовать способ по п.5 формулы изобретения, то для образования бороздчатой структуры можно будет обойтись лишь одной формирующей или режущей деталью с гребнеобразно расположенными зубьями. Однако также возможно выбрать в поверхности многоходовую базовую бороздку и несколько бороздок с поднутренним поперечным сечением. Поскольку процессы работы или резания проводятся избыточно, то обеспечивается особое преимущество, состоящее в том, что при износе инструмента геометрия бороздок сохраняется неизменной.
Если технологический этап выборки базовой бороздки и/или образования готовой бороздчатой структуры (операции резки и деформации) подразделить на частичные этапы, то можно еще больше контролировать усилия, воздействующие на зубья инструмента. Ввиду того, что процессы работы или резки проводятся избыточными, то достигается особое преимущество, состоящее в том, что даже при износе инструмента геометрия бороздок сохраняется неизменной.
Особо предпочтительная поверхность подложки, обладающая оптимальной структурой для последующего нанесения на нее материала термическим напылением, достигается вариантом развития способа по пункту 9 формулы изобретения. В результате формирования, т.е. вытеснения, подложки на ее поверхности с образуемой бороздчатой структурой не только создается промежуточная бороздка, которая увеличивает поверхность контакта между подложкой и материалом, наносимым термическим напылением. Но также вытеснение материала подложки между углублениями бороздки создает достаточное сужение для того, чтобы напыляемый слой имел особо эффективное и интенсивное сцепление с материалом подложки.
Инструмент может быть выполнен в виде чисто формовочного, режущего или хонинговального инструмента или же также в виде инструмента для комбинированных видов обработки, например, для резания и формирования или для хонингования и формирования или для резания и хонингования. Также может оказаться оптимальным, например, применение инструмента, имеющего конструкцию хонинговального инструмента, например, хона с радиально установочными вставками с применением разжимного конуса для позиционирования режущих кромок. При выполнении в виде хонинговального инструмента применяются предпочтительно несколько, равномерно расположенных по периметру режущих частей, например, державки хонинговального бруска, служащие в качестве основы для абразива, т.е. абразивного зерна, образованного предпочтительно (поликристаллическим) алмазом или нитридом бора или другими сопоставимыми материалами стабильной формы. Выступающее из (керамической, металлической или состоящей из синтетической смолы) связки абразивное зерно имеет в данном случае дополнительно заданную геометрию, меняющуюся заданным образом по осевой длине державки для хонинговального бруска, в результате чего при согласовании осевого движения подачи с вращательным движением державки хонинговального бруска относительно подложки становится возможной описанное выше постепенное формирование заданной бороздчатой структуры.
Согласно предпочтительному варианту выполнения можно также предусмотреть, чтобы державка хонинговального бруска при осевом движении относительно поверхности подожки совершала радиальное движение подачи на врезание, в результате чего бороздки, образованные движущимся с опережением участком державки (державок) хонинговального бруска, будут постепенно шлифоваться на полную глубину.
С помощью инструмента с конструкцией по образцу хонинговального инструмента получают более крутые бороздки, способные также - вследствие совершаемого обычно хонинговальным инструментом возвратно-поступательного движения - пересекаться. В принципе даже возможно такое выполнение державок хонинговального бруска, при котором за абразивными зернами располагаются при заданном и согласованным с кинематикой процесса хонингования пространственном соотношении вытеснительные выступы, благодаря чему также может быть выполнено поднутренное сужение бороздки путем вытеснения материала, как охарактеризовано признаками пункта 3 формулы изобретения.
Во время опытов было установлено, что важнейшим параметром, обеспечивающим надежную и длительную адгезию нанесенного термическим напылением покрытия, является механическое сцепление между покрытием и подложкой. Согласно варианту осуществления способа по п.9 формулы изобретения или варианту выполнения инструмента по п.16 формулы изобретения такое механическое сцепление достигается в том случае, когда, по меньшей мере, одна боковая поверхность выбранной в поверхности подложки бороздки имеет незначительное поднутрение или вообще не имеет.
Варианты развития инструмента для осуществления способа обеспечивают положение, когда инструмент и, в частности, применяемая прямоугольная формирующая и режущая пластина обладает особенно большой стойкостью резания, выраженной в длине резания. Если, например, согласно п.15 формулы изобретения предусмотрено несколько, предпочтительно смежных формообразующих режущих или сминающих зубьев, с помощью которых могут последовательно обрабатываться разные боковые стороны формируемой, например, поднутренной бороздки, то на зубьях возникают меньшие режущие усилия и, следовательно, возрастает срок службы инструмента.
Согласно п.16 формулы изобретения инструментом служит инструмент для резания и формирования. Путем соответствующего выполнения вытеснительного зуба, т.е. в результате того, что вытеснительный зуб через определенное расстояние начинает выступать на величину, соответствующую предохранительному зубу, то вытесненный с закругленного возвышения материал неизбежно поступает на нарезанную бороздку, в результате чего обращенное в сторону наносимого материала отверстие бороздки дополнительно сужается. Величина выступа вытеснительного зуба и, следовательно, величина выступа предохранительного зуба выбраны предпочтительно такими, чтобы пластина для формирования и резания могла заходить с посадкой с малым зазором или с легкой прессовой посадкой в подготовленное отверстие, т.е. в подготовленное в подложке отверстие. Предпочтительно, чтобы ширина предохранительного зуба соответствовала многократной величине ширины, по меньшей мере, зуба для предварительной обработки бороздки или, по меньшей мере, профильного зуба (например, зуба в виде ласточкина хвоста). Таким образом, дополнительно улучшаются ориентация пластины для формирования и резания и, следовательно, точность работы инструмента.
Как уже отмечалось выше, при изготовлении бороздчатой структуры с точно заданной геометрией важно, чтобы бороздка или бороздки выполнялись при максимальной точности таким образом, чтобы после длительной стойкости пластины для формирования и резания, выраженной в расстоянии резания, не образовывались не контролируемые отложения подложки между зубьями, т.е. не происходило так называемого «замасливания», что может привести, в частности, при обработке относительно мягких материалов, например, алюминия, к большим отклонениям геометрии образованных бороздок и к отклонениям формы. Установлено, что, в частности, благодаря выполнению инструмента по пунктам 21 и 22 формулы изобретения гарантированно удается получить бороздчатую структуру в серийном производстве при постоянном сохранении качества и при обеспечении большой стойкости режущего инструмента, выраженной в расстоянии резания.
Если режущая вставка по п.22 формулы изобретения представляет собой комбинированную деталь, в которой пластина из высокопрочного материала, например, поликристаллического алмаза, установлена на несущем элементе, предпочтительно из твердого сплава, то зубья могут быть выполнены чрезвычайно филигранными при максимальной точности, в результате чего достигаются оптимальные условия резания, в частности, в том месте, где образуются минимальные объемы или сечения стружки. Однако инструмент обладает максимальной нагрузочной способностью, так как несущий элемент для пластины из высокопрочного материала или поликристаллического алмаза или же несущий элемент из твердого сплава придает инструменту необходимую устойчивость, жесткость и упругость. Предпочтительно зубья выполнены в комбинированной пластине электроэрозионной обработкой. Таким образом, удается без проблем выполнить бесступенчатыми профильные зубья на участке разделительного шва между несущим элементом из твердого сплава и пластиной из поликристаллического алмаза.
Благодаря варианту выполнения, охарактеризованному признаками п.23 и/или 24 формулы изобретения обеспечивается оптимальная возможность юстировки профильных зубьев, благодаря чему удается по возможности равномерно распределять нагрузки по выполненным с высокой точностью зубьям.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - вид сбоку на первый вариант выполнения инструмента для изготовления цилиндрической внутренней поверхности с подготовленной структурой заданной геометрии для нанесения материала термическим напылением;
фиг.2 - вид спереди на инструмент на фиг.1 по линии II на фиг.1;
фиг.3 - разрез по неперетачиваемой режущей пластине по линии III-III, снабженной режущей вставкой для образования поверхностной структуры, в увеличенном масштабе;
фиг.4 - вид сверху на неперетачиваемую режущую пластину по линии IV на фиг. 3;
фиг.5 - вид сверху на режущую вставку согласно варианту выполнения на фиг.4, в увеличенном масштабе;
фиг.6 - разрез по линии VI-VI на фиг.5:
фиг.7 - разрез по линии VII-VII на фиг.5;
фиг.8 - разрез по линии VIII-VIII на фиг.5;
фиг.9 - вид на другой вариант выполнения неперетачиваемой режущей пластины с модифицированной режущей вставкой, аналогичный виду на фиг.3;
фиг.10 - частичный разрез поверхностной структуры подложки, получаемой описанным инструментом, в увеличенном масштабе.
Ниже описывается инструмент, с помощью которого может обрабатываться цилиндрическая внутренняя поверхность подложки, в частности, подготовленное или предварительно обработанное по размеру отверстие в блоке цилиндров таким образом, что в серийном производстве способом термического напыления может наноситься покрытие. Таким нанесением материала так называемым термическим напылением должна создаваться гильза, например, из стали со следами других элементов, а именно в виде матрицы с включениями оксидных скоплений и с очень мелкими порами. В этом случае припуск на готовое покрытие должен составлять примерно 0,1-0,2 мм, причем после хонингования этого покрытия образуется очень гладкая поверхность с очень мелкими порами.
Для обеспечения хорошего сцепления нанесенного термическим напылением материала с подложкой необходимо придать этой подложке особую поверхность с тем, чтобы можно было получить сцепление между нанесенным термическим напылением слоем материала и алюминиевой отливкой по всей поверхности подложки при одинаково хорошем качестве. Например, в том случае, когда изготавливаются гильзы цилиндров для двигателей внутреннего сгорания, длина по оси цилиндрической внутренней поверхности подложки в виде алюминиевой отливки составляет примерно 130 мм, причем требуется соблюдение чрезвычайно жестких допусков на форму цилиндра и показателей шероховатости поверхности. Инструмент согласно изобретению сконструирован при этом таким образом, что он выбирает в очень тщательно подготовленной цилиндрической поверхности подложки, по меньшей мере, одну спиральную бороздку с заданной геометрией, что подробнее будет описано ниже.
Инструмент в целом обозначен на фиг.1 позицией 12. Он содержит хвостовик 14 с полым хвостовым конусом, к которому примыкает основная часть 16. Ось инструмента 12 обозначена позицией 18 и на изображении можно видеть, что инструментом 12 служит чрезвычайно жесткий инструмент стабильной формы, что служит условием того, что цилиндрическая внутренняя поверхность алюминиевой отливки может быть обработана с обеспечением заданной точности цилиндрической формы.
В обозначенном позицией 20 кармане находится инструментальная кассета 22, которая имеет по существу форму прямоугольника и которая стяжным болтом 24 может быть прижата к двум расположенным под углом друг к другу внутренним поверхностям кармана 20. Позицией 26 обозначены эксцентриковые стержни, которые могут поворачиваться с помощью соответствующих инструментов, например, торцового шестигранного ключа, для ориентации кассеты 22 относительно оси 18. Следует учесть, что вследствие этого стяжной болт 24 проходит через соответствующее отверстие в кассете с зазором и под углом к обоим опорным поверхностям кармана 20 для обеспечения возможности точной юстировки инструментальной кассеты 22.
Позицией 28 обозначен резьбовой стержень, который (подробно не показано) опирается о посадочную поверхность 30 кармана 20, в результате чего кассета 22 выполнена поворотной с опорой на радиальную внутреннюю опорную поверхность кармана 20 в плоскости, параллельной оси 18.
Также можно предусмотреть, чтобы с помощью подробно не показанного регулировочного болта, который контактирует с торцом 32 кассеты 22 и по существу может радиально утапливаться или завинчиваться в основную часть 16, кассета 22 удерживалась с возможностью ее регулировки, предпочтительно тонкой юстировки.
Инструментальная кассета 22 несет со своей стороны неперетачиваемую режущую пластину 34, которая с помощью центрального крепежного болта 36, взаимодействующего с отверстием 35 в неперетачиваемой режущей пластине, закреплена с возможностью разъединения на инструментальной кассете 22.
Неперетачиваемая режущая пластина 34 состоит из соответствующего материала основания, например, стали, в частности, инструментальной стали. Однако на боковой кромке 38, которая может ориентироваться параллельно оси 18 инструмента и, следовательно, параллельно подлежащей обработке цилиндрической поверхности подложки, она несет режущую вставку 40, которая располагается по существу по всей длине неперетачиваемой режущей пластины 34. При подробном описании ниже будут делаться ссылки на фигуры 3, 4.
На них можно видеть, что неперетачиваемая режущая пластина 34 содержит в зоне боковой кромки 38 выемку, образованную двумя расположенными под прямым углом друг к другу поверхностями 42, 44, в которую прочно вставлена - предпочтительно с закреплением высокотемпературной пайкой - режущая вставка 40 в виде прямоугольника по существу квадратного сечения. На фигурах 3, 4 показана неперетачиваемая режущая пластина с режущей вставкой в увеличенном масштабе. Можно видеть, что толщина D 34 неперетачиваемой режущей пластины 34 составляет примерно 4 мм, а длина кромки - примерно 9,5 мм. Соответственно небольшим является и сечение режущей вставки 40 с длиной кромки ок. 1,1 мм.
Режущая вставка 40 выполнена в виде комбинированной детали, при этом на несущем элементе 46 из твердого сплава прочно закреплена режущая пластина 48 из поликристаллического алмаза. Соединение деталей 46 и 48 между собой выполнено высокотемпературной пайкой. Плоский разделительный шов между несущим элементом 46 из твердого сплава и режущей пластиной 48 или режущей пластиной 48 из поликристаллического алмаза обозначен позицией 50.
В частности, на изображении на фиг.4 можно видеть, что режущая пластина 48 из поликристаллического алмаза выполнена на величину К короче длины кромки несущего элемента 46 из твердого сплава, в результате этого удается предупредить опасность повреждения относительно хрупкой режущей пластины 48 из поликристаллического алмаза. На фиг.4 штриховкой показана режущая пластина из поликристаллического алмаза.
Также можно видеть, что режущая вставка 40 выполнена с чрезвычайно филигранными зубьями, которые позволяют выбирать, например, в цилиндрической поверхности алюминиевой отливки с любым диаметром, например, с внутренним диаметром цилиндра двигателя внутреннего сгорания, бороздчатую структуру с точно заданной геометрией. При этом должна быть образована, по меньшей мере, одна бороздка, которая подобно резьбе проходит по всей осевой длине цилиндрической поверхности подложки и имеет глубину T (см. фиг.10) менее 0,15 мм и ширину B порядка не более 0,2 мм. Шаг S бороздки 52 (см. фиг.10) составляет примерно 0,5-0,8 мм.
Для изготовления такой бороздки 52 с геометрией согласно фиг.10 режущая вставка 40 снабжена специальными зубьями, которые будут подробнее описаны ниже со ссылкой на фигуры 5-8.
На фигурах 5-8 показаны вид сверху и разрезы по режущей вставке 40 в сильно увеличенном масштабе. Общая длина L режущей вставки 40 составляет примерно от 9 до 10 см. Ширина В40 режущей вставки 40 составляет примерно 1 мм, так же как и общая высота Н40. Из изображений на фигурах 6-8 следует, что толщина Н48 режущей пластины 48 из поликристаллического алмаза составляет примерно от 0,3 до 0,4 мм, а толщина H46 несущего элемента 46 из твердого сплава составляет от 0,6 до 0,7 мм. Обозначенные позициями 54-1-54-10 зубья заделаны предпочтительно в боковую поверхность режущей вставки 40 по всей ее высоте, а именно при соблюдении следующей геометрии.
На расположенном по оси концевом участке находится сначала предохранительный зуб 54-1, выступающий над основанием зуба на величину V54-1. Величина V54-1 выбирается с таким расчетом, чтобы головка предохранительного зуба 54-1 после полной юстировки инструментальной кассеты 22 по существу располагалась по диаметру рабочей поверхности цилиндра, т.е. по внутреннему диаметру покрываемой подложки после предварительной обработки. Ширина предохранительного зуба размером В54-1 составляет примерно 0,3 мм.
Смежно с предохранительным зубом 54-1 располагаются соответственно на расстоянии спирального хода S два зуба 54-2, 54-3 для предварительной обработки. Зуб 54-2 для предварительной обработки имеет существенно меньшее сечение, но большую величину V54-2 выступа над кромкой режущей вставки 40. Другими словами, первый зуб 54-2 для предварительной обработки врезается на заданную величину в предварительно обработанную поверхность подложки и создает базовую бороздку, показанную на фиг.10 штрихпунктирной линией 52B.
При этом форма первого зуба 54-2 для предварительной обработки выбрана такой, чтобы ширина В54-2 головки зуба была меньше ширины B готовой бороздки 52 (см. фиг.10). Также и величина V54-2 выступа выбирается так, чтобы она не была равна диаметру DF готового контура бороздки 52. И только с помощью второго зуба 54-3 для предварительной обработки производится нарезка базовой бороздки на полную глубину Т (см. фиг.10), при этом правда ширина бороздки определяется по существу величиной B54-2 первого зуба 54-2 для предварительной обработки.
Соответственно со смещением на шаг S изготавливаемой бороздки 52 располагаются так называемые профильные зубья, которые ниже обозначаются как зубьями 54-4-54-7 в виде ласточкина хвоста. Однако необходимо отметить, что у таких профильных зубьев не обязательно должна присутствовать боковая поверхность и при их утоплении в подложку они образуют поднутренную бороздку. Профильные зубья могут применяться для обработки как резанием, так и без снятия стружки.
В приведенном примере выполнения зубья 54-4-54-7 в виде ласточкина хвоста последовательно расширяют ранее сформированную базовую бороздку в зоне ее дна до конечного размера В (см. фиг.10). При этом зубья 54-4, 54-5 в виде ласточкина хвоста образуют, т.е. нарезают, бороздку на боковой поверхности до образования бороздки поднутренней формы, а последующие зубья 54-6, 54-7 формируют другую боковую поверхность бороздки, производя при этом обработку резанием. После использования последнего зуба 54-7 в виде ласточкина хвоста образуется поднутренная бороздка 52 с контуром согласно фиг.10, т.е. с глубиной T и шириной дна бороздки с размером В. Вместо обработки резанием может также применяться обработка без снятия стружки с использованием профильных зубьев.
Снова со смещением на величину шага S бороздки за последним профильным зубом или зубом в виде ласточкина хвоста 54-7 следует так называемый шероховальный зуб 54-8, который своей головкой образует рифление, т.е. шерохование 56 с заданной глубиной бороздок в диапазоне 1/100 мм.
К шероховальному зубу 54-8 или описываемому ниже вытеснительному зубу 54-10 примыкает так называемый очистительный зуб, с помощью которого могут удаляться остатки стружки из нарезанной бороздки. Очистительный зуб обозначен позицией 54-9, его высота меньше высоты профильного зуба 54-4-54-6, в результате чего не происходит более касания шерохования 56.
Ряд зубьев 54-1-54-9 замыкается так называемым вытеснительным зубом 54-10. Ширина В54-10 головки этого зуба равна многократной величине ширины зубьев для предварительной обработки или профильных зубьев. Предпочтительно в центре вытеснительного зуба 54-10 с величиной V54-10 выступа, соответствующей по существу величине V54-1 выступа предохранительного зуба 54-1, вытеснительный зуб 54-10 образует закругленное возвышение 58 с шириной В58, например, примерно 0,15 мм и высотой примерно 0,05 мм. Поскольку высота V54-10 вытеснительного зуба 54-10 выбирается такой, чтобы он касался в большей или меньшей мере предварительно обработанной по размеру внутренней поверхности подложки, то вытеснительный зуб 54-10 своим возвышением 58 вытесняет в сторону сравнительно мягкий металл подложки, например, материал алюминиевой отливки, в результате чего поднутренная бороздка 52 дополнительно сужается на участке перехода к внутренней поверхности 60 вследствие высадки 62 материала. Кроме того, вытеснительный зуб обеспечивает воспроизводимую и компенсирующую износ глубину шерохования.
Как следует из приведенного выше описания, возвышение 58 расположено на осевом расстоянии A от очистительного зуба 54-9, отличающемся от шага S бороздки. Так, например, оно составляет 1,5-кратную величину шага S бороздки.
На изображенных на фигурах 6-8 разрезах можно видеть, как зубья 54-1-54-10 врезаются в подложку. Например, на фиг.6 показано, что задний угол F54-1 предохранительного зуба 54-1 имеет величину, которая едва превышает 0°. Эта величина может быть даже отрицательной. Задний угол F54-4 имеет положительное значение всегда тогда, когда профильные зубья должны обрабатывать внутреннюю поверхность подложки со снятием стружки. Соответственно положительное значение имеет тогда и передний угол зубьев для предварительной обработки, шероховального зуба 54-8 и очистительного зуба 54-9. В противоположность этому задний угол F54-10 вытеснительного зуба 54-10, в частности, на участке возвышения 58, является существенно меньшим. Он может иметь даже отрицательное значение, в результате чего вытеснительный зуб 54-10 своим возвышением 58 не производит резания материала, а лишь его вытеснение из подложки или деформацию.
Также на фигурах 6-8 показано, что угол заострения режущей вставки 40 составляет по существу 90°, вследствие чего в представленном примере выполнения образуется передний угол с малым отрицательным значением.
Как показано на фигурах 6-8, зубья 54-2-54-9 заделаны или предпочтительно утоплены в режущую вставку 40, т.е. в несущий элемент из твердого сплава с напаянной режущей пластиной из поликристаллического алмаза, таким образом, что по всей высоте Н40 зуб имеет постоянную высоту. Это, правда, не относится к выполнению зуба на участке предохранительного зуба 54-1 и вытеснительного зуба 54-10, высота которых изменяется лишь незначительно с увеличением расстояния от угла режущей кромки.
При использовании инструмента описанной выше конструкции применяется следующий принцип работы при изготовлении цилиндрической внутренней поверхности с заданной структурой.
Инструмент 12 располагают его осью 18 концентрично оси предварительно обработанной рабочей поверхности цилиндра, в результате чего радиальное расстояние головки предохранительного зуба 54-1 по существу соответствует половине диаметра рабочей поверхности цилиндра в качестве поверхности подложки. Если кассета 22 ранее была ориентирована регулировочными средствами (эксцентричными штифтами 26, резьбовым штифтом 28) таким образом, чтобы головки профильных зубьев 54-4-54-7 располагались по существу параллельно оси 18 инструмента так, чтобы линия расположения зубьев приходилась перпендикулярно создаваемой спиральной бороздке, то инструмент может зайти во внутреннее отверстие. Затем создается вращательное движение инструмента 12 относительно поверхности цилиндра в качестве подложки, а также одновременно с этим осевое вращательное движение инструмента 12 относительно подложкой таким образом, что является действительным:
R
R
V=n×S,
R
R
где: V - скорость осевого движения инструмента 12 относительно подложки и n - частота вращения инструмента относительно подложки.
Выше приводилось описание инструмента или его зубьев на участке режущей вставки 14 в варианте выполнения, в котором зубья имеют постоянное поперечное сечение по всей высоте H40 режущей вставки 40. Однако необходимо указать, что это не является обязательным условием. Напротив, также возможно произвести поднутрение зубьев, в частности, зубьев 54-2 и 54-3 для предварительной обработки и профильных зубьев 54-5-54-8, по меньшей мере, на участке опережающей боковой поверхности с целью образования положительного бокового переднего угла при нарезке профиля бороздки.
После того, как зуб 54-2 для предварительной обработки нарезал или сформировал базовую волну с шириной дна бороздки с величиной B54-2, начинает действовать другой зуб 54-3 для предварительной обработки, которым базовая бороздка обрабатывается или нарезается на полную глубину T. Зуб 54-3 для предварительной обработки может и не применяться, тогда начинает действовать первый профильный зуб 54-4. Этот первый профильный зуб 54-4 нарезает первую поднутренную боковую поверхность 52-1 таким образом, что образуется несколько расширенное дно бороздки. Это дно бороздки дополнительно подвергается резанию вторым профильным зубом 54-5, после чего дно бороздки на одной стороне оказывается нарезанным на полную ширину B/2. Затем профильные зубья 54-6 и 54-7 производят готовую нарезку отдельными этапами другой поднутренней боковой поверхности 52-2, после чего шероховальный зуб 54-8 производит шерохование 56.
В описанном выше примере выполнения зубья 54-2 и 54-3 для предварительной обработки выполнены в виде комбинированного зуба, производящего как нарезание, так и шерохование. Однако также возможно выполнить зубья 54-2 и 54-3 в виде профильных или деформационных зубьев, т.е. таких зубьев, которыми мягкий материал подложки только вытесняется.
В варианте выполнения, представленном на фигурах 1-8, показано размещение режущей вставки 40 в прямоугольной выемке (фиг.3) с поверхностями 42, 44, которые ориентированы таким образом, что при выполнении режущей вставки 40 в виде прямоугольника создается отрицательный передний угол. Поэтому штрихпунктирной линией 64 на фигурах 6-8 показана поверхность, возникающая в том случае, когда на верхней стороне режущей вставки 40 происходит съем материала наискось к несущему твердосплавному элементу 46, вследствие чего может образоваться положительный передний угол.
На фиг.9 показан вариант выполнения инструмента, точнее, неперетачиваемая режущая пластина с припаянной режущей вставкой, в которой угол заострения <90° при положительном переднем угле и положительном угле заострения достигается даже в том случае, когда твердосплавный несущий элемент и режущая пластина из поликристаллического алмаза имеют плоскопараллельные граничные поверхности, в результате чего упрощается изготовление. Для упрощения описания одинаковыми позициями обозначены те компоненты, которые соответствуют элементам ранее описанного примера выполнения, но с предшествующей цифрой 1.
Здесь можно видеть, что неперетачиваемая режущая пластина 134 содержит иначе ориентированную выемку под режущую вставку 140. Поверхности 142 и 144 снова располагаются перпендикулярно друг другу, однако донная поверхность 144 наклонена в противоположном направлении относительно донной поверхности 44 в варианте выполнения по фиг.3. Если при этом на прямоугольной режущей вставке 140 с твердосплавным несущим элементом 146 и на закрепленной на ней в бороздках режущей пластине из поликристаллического алмаза с длиной кромки H240 электроэрозионным способом формируются зубья с геометрией, показанной на фиг.5, то простыми технологическими приемами можно образовать на участке зубьев для предварительной обработки и профильных зубьев положительный задний угол, а на участке предохранительного зуба и вытеснительного зуба путем соответствующего управления электроэрозионным инструментом может быть образован уменьшенный или же отрицательный задний угол.
В ходе полупромышленных опытов было установлено, что сконструированный с учетом приведенных выше критериев инструмент в состоянии образовывать бороздчатую структуру с геометрией, показанной на фиг.10, в предварительно обработанной цилиндрической внутренней поверхности алюминиевой отливки с возможностью воспроизведения, при этом даже после длительного срока службы инструмента не происходило замасливания алюминием. Таким образом, стало возможным получать на внутренней части подложки из алюминиевой отливки поверхность, обладающую превосходной способностью к нанесению на нее покрытия напылением.
При этом был сделан решающий вывод относительно того, что выполненная в виде инструмента последовательного действия режущая вставка может обрабатываться с чрезвычайно высокой точностью и благодаря комбинированной конструкции приобретает повышенную стойкость на ответственных участках, в результате чего режущие кромки способны работать точно и надежно на протяжении длительного отрезка времени. Кроме того, благодаря комбинации режущих и выдавливающих зубьев может быть существенно увеличено поднутрение бороздки 52, вследствие чего существенно повышается механическое сцепление или соединение между нанесенным материалом и алюминиевой подложкой.
Следует учесть, что возможны отклонения от описанных выше примеров при сохранении основного изобретательского замысла. Так, например, вместо высокопрочного материала «поликристаллический алмаз» может применяться также другой высокопрочный материал, например, кубический нитрид бора или алмаз CVD (CVD - химическое осаждение из газовой фазы). Также возможно применение на участке режущих кромок других твердых материалов, например металлокерамики.
Также изобретение не ограничивается созданием бороздчатой структуры с определенной геометрией на цилиндрической внутренней поверхности. В одинаковой степени бороздчатую структуру можно образовывать и на наружной поверхности или также на ровной поверхности, при этом может применяться описанный выше способ. В этом случае инструмент был бы выполнен в виде некоторого подобия строгального инструмента или протяжки, в котором зубья подобно инструменту последовательного действия обрабатывают бороздку поочередно на полное сечение.
Описанный выше инструмент содержит зубья, расположенные по существу в касательном направлении, т.е. режущая вставка 40 содержит прямолинейно расположенные зубья. Также возможно несколько косое расположение зубьев.
С отходом от описанного выше примера выполнения возможно также оснастить инструмент 12 несколькими режущими вставками, расположенными по периметру, в этом случае бороздки могли бы создаваться, т.е. формироваться или нарезаться в подложке подобно многозаходной резьбе. Такая модификация инструмента привела бы в конечном итоге к созданию инструмента типа хонинговального, причем державкам хонинговального бруска, которые могут располагаться по значительной или всей длине обрабатываемой поверхности, придается геометрия, необходимая для образования бороздчатой структуры.
Также инструмент может быть выполнен в виде чисто формовочного, режущего или хонинговального инструмента или же в виде инструмента, которым комбинируются разные виды обработки, например, резание и формирование и/или хонингование и формирование и/или резание и хонингование. Также может оказаться оптимальным применение, например, хона с радиально регулируемыми вставками с использованием распорного конуса для позиционирования режущих кромок.
В случае выполнения в виде хонинговального инструмента предпочтительно применять несколько, равномерно распределенных по периметру режущих частей инструмента, как, например, державки хонинговального бруска, служащие в качестве несущих элементов для абразива, т.е. абразивного зерна, состоящего предпочтительно из (поликристаллического) алмаза или нитрида бора или же других материалов со сравнительно устойчивой формой. Выступающему из (керамической, металлической или изготовленной из синтетической смолы) связки абразивному зерну дополнительно придается в этом случае заданная геометрия или объемная форма, которая изменяется заданным образом по осевой длине державки для хонинговального бруска таким образом, что при согласовании осевого движения подачи с вращательным движением державки хонинговального бруска относительно подложки становится возможным описанное выше поэтапное или постепенное образование заданной бороздчатой структуры. В этом случае огибающей абразива служит, например, боковая поверхность конуса, вследствие чего движущиеся в направлении подачи передние абразивные зерна выступают из связки на меньшую высоту, чем задние абразивные зерна. Если державки хонинговального бруска совершают возвратно-поступательное движение, то упомянутая огибающая образуется двойным конусом, который сужается от осевого центра в обоих осевых направлениях.
Согласно предпочтительному варианту выполнения может быть предусмотрено, чтобы державка хонинговального бруска приводилась при осевом вращательном движении относительно поверхности подложки в движение подачи на врезание, в результате которого бороздки, образованные движущимся впереди участком державки (державок) хонинговального бруска, постепенно шлифуются на полную глубину. В этом случае огибающая абразива может быть образована боковой поверхностью цилиндра.
Таким образом, с помощью инструмента, выполненного подобно хонинговальному инструменту, образуются более крутые бороздки и вследствие обычно предусмотренного возвратно-поступательного движения хонинговального инструмента они могут пересекаться. В принципе даже возможно выполнить державки хонинговального бруска такими, чтобы вытеснительные возвышения располагались за абразивными зернами при заданном, согласованным с кинематикой хонинговального процесса пространственном соотношении, в результате чего становится возможным подобное занутрению сужение бороздки путем вытеснения материала, поясняемого в п.3 формулы изобретения.
Если инструмент по фиг.1 будет оснащен только одной неперетачиваемой режущей пластиной, то может оказаться целесообразным снабжение основной части 16 распределенными по периметру направляющими планками, которые будут обеспечивать надежное направление инструмента в отверстии подложки при его взаимодействии с предохранительным зубом.
Для исключения нарушения требуемой точности формы цилиндра на фиг.1 показаны два балансировочных болта, обозначенных позицией 68, с помощью которых возможна точная балансировка инструмента.
В другом варианте описанного выше инструмента также возможно в целом формировать бороздку, т.е. и на участке поднутренних боковых поверхностей.
Согласно изобретению создан способ образования предпочтительно цилиндрической поверхности, обладающей структурой с заданной геометрией, пригодной для нанесения материала термическим напылением. При этом на предпочтительно по размеру предварительно обработанной, предпочтительно цилиндрической поверхности покрываемой подложки образуют геометрически определенную бороздчатую структуру с малой глубиной и шириной бороздок, причем сечение бороздок последовательно доводится до конечного размера. Такая обработка проводится, например, с применением инструмента последовательного действия. Для образования поверхности с постоянным качеством при серийном производстве способ разработан таким, чтобы бороздчатая структура была сформирована сначала путем выборки базовой бороздки с шириной дна, которая меньше ширины дна готовой бороздки. Затем обрабатывают бороздку, например, по меньшей мере, боковую поверхность базовой бороздки, для создания поднутреннего профиля бороздки без съема стружки или резанием, причем образованную выборкой бороздчатую структуру деформируют таким образом, чтобы отверстия бороздок сужались в результате осаживания материала.