УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛОСКОГО ВИБРОШЛИФОВАНИЯ
DEVICE FOR SURFACE FLAT VIBROGRINDING

Изобретение относится к технологии машиностроения к механической обработке трудношлифуемых металлов и сплавов, склонных к прижогам и микротрещинам, алмазно-абразивным инструментом и может быть использовано при шлифовании и полировании плоских поверхностей.
Известен способ шлифования и устройство, реализующее его, включающий непрерывное наложение на заготовку через обрабатываемую поверхность в направлении нормали ультразвуковых колебаний, при этом заготовке сообщают колебания, модулированные по частоте [1].
Недостатком известного устройства и способа является неэффективное повышение интенсификации процесса, дающее невысокое повышение производительности и качество изготовляемой продукции ввиду того, что ультразвуковая обработка ведется на частотах 15…50 кГц и амплитудой в несколько единиц мкм [2]. Алмазно-абразивные зерна, имеющие размеры на порядок больше, чем амплитуда ультразвуковых колебаний, осуществляют резания только передними гранями, как при традиционном шлифовании, и зона контакта инструмента с заготовкой увеличивается на ничтожно малую величину.
Задача изобретения - расширение технологических возможностей, повышение качества и производительности обработки за счет сообщения обрабатываемой заготовки низкочастотных, не зависящих от частоты вращения инструмента крутильных колебаний, повышение интенсификации процесса шлифования за счет осуществления резания не только передними, но и боковыми, и задними гранями алмазно-абразивных зерен, а также за счет увеличения зоны контакта инструмента с заготовкой, позволяющей экономно расходовать алмазно-абразивный материал, снижение расходов на изготовление оснастки за счет упрощения конструкции вибропривода.
1
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для плоского виброшлифования, содержащего корпус, нижняя часть которого выполнена с возможностью закрепления на столе станка, а верхняя часть выполнена с возможностью установки на ней обрабатываемых заготовок, при этом на верхней части корпуса подвижно на планках из антифрикционного материала, выполняющих функции подшипника скольжения, установлена электромагнитная прямоугольная плита, в центре которой со стороны нижнего торца расточено глухое отверстие, в котором на подшипнике установлена эксцентриковая шейка вращающегося ротора, на противоположном шейке торце которого расположен витой магнитопровод, имеющий в пазах вторичную короткозамкнутую обмотку, при этом вышеупомянутый ротор входит в состав торцового асинхронного двигателя, последний помимо ротора содержит статор, выполненный заодно целое с нижней частью корпуса, с витым магнитопроводом на торце, в пазах которого расположена m-фазная первичная обмотка, кроме того, ротор подвижно с возможностью вращения с помощью упорных подшипников закреплен с учетом зазора между торцами магнитопроводов на опорном стакане, запрессованном в центральном отверстии нижней части корпуса.
Особенности конструкции предлагаемого устройства для плоского виброшлифования поясняются чертежами.
B
На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, вид спереди, частичный продольный разрез; на фиг.2 - вид сверху по А на фиг.1; на фиг.3 - сечение по Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - схема плоского шлифования торцом круга плоской поверхности заготовки, закрепленной на магнитной плите предлагаемого устройства; на фиг.5 - траектория движения точки B шлифуемой поверхности заготовки за один полный цикл крутильного колебательного вибрационного движения с наложением векторной диаграммы скорости, действующей на обрабатываемую заготовку V в восьми положениях через каждые 45°.
B
B
Предлагаемое устройство предназначено для высокоэффективного плоского шлифования на плоскошлифовальных станках с наложением крутильных вибрационных движений со скоростью V и амплитудой A на обрабатываемую заготовку.
Предлагаемое устройство содержит корпус 1, нижняя часть которого выполнена в виде опор 2 с пазами для крепежных болтов с возможностью закрепления на столе станка (последний не показан). Верхняя часть корпуса выполнена плоской с возможностью установки на ней обрабатываемых заготовок 3. На верхней части корпуса подвижно на опорных планках 4 из антифрикционного материала, выполняющих функции подшипника скольжения, торцом установлена электромагнитная прямоугольная плита 5. Опорные планки 4 изготовлены из антифрикционного материала, например оловянно-фосфористой литейной бронзы Бр. ОФ10-1 (по ОСТ 1.90054-72).
Электромагнитная прямоугольная плита предназначена для закрепления заготовок 3 из ферромагнитных материалов при обработке на плоскошлифовальных станках. Устройство и конструкция электромагнитной прямоугольной плиты может быть выполнено, например, по ГОСТ 17519-81. Также в качестве устройства для закрепления заготовок из ферромагнитных материалов при обработке на плоскошлифовальных станках может быть взята плита с постоянными магнитами по ГОСТ 16528-81 [3].
Крепежные планки 6 с уплотнителем 7, установленные сверху опорных планок, крепят последние к корпусу, ограничивают вращательное вибрационное движение плиты относительно вертикальной оси и предохраняют от попадания в зону сопряжения плиты с опорными планками отработанного шлама. Крепежные планки установлены с гарантированным зазором Z относительно плиты, позволяющим свободное перемещение плиты в горизонтальной плоскости.
В центре нижнего торца электромагнитной плиты расточено глухое отверстие, в котором на подшипнике 8 установлена эксцентриковая шейка вращающегося ротора 9, расположенная на его верхнем торце. На противоположном нижнем торце ротора 9 расположен витой магнитопровод 10, имеющий в пазах вторичную короткозамкнутую обмотку.
1
Ротор 9 входит в состав торцового асинхронного двигателя (ТАД) [4…6]. ТАД помимо ротора содержит статор, выполненный заодно целое с нижней частью корпуса 1, с витым магнитопроводом 11 на торце. В пазах магнитопровода 11 расположена m-фазная первичная обмотка.
Ротор подвижно с возможностью вращения благодаря упорным подшипникам 12 закреплен с учетом зазора Δ между торцами магнитопроводов 10 и 11 на опорном стакане 13, запрессованном в центральном отверстии нижней части корпуса.
B
После подключения обмотки магнитопровода 11 статора к сети, в результате воздействия вращающегося магнитного поля на проводники короткозамкнутой обмотки магнитопровода ротора последний приводится во вращение со скоростью V. Возникающие при этом силы осевого притяжения магнитопроводов ротора и статора воспринимаются упорным подшипником 14. Благодаря тому, что упорный подшипник 14 установлен снаружи магнитопроводов ротора и статора, следовательно, диаметр его дорожки качения достаточно большой, повышается устойчивость ротора против выворачивающего действия сил, требующихся для эффективного виброшлифования.
Так работает привод вибрационных движений, выполненный в виде компактного торцового асинхронного электродвигателя. Предлагаемое устройство имеет самую короткую кинематическую цепь вибропривода и расширяет технологические возможности.
B
B
При вращении ротора ТАД привода крутильных колебаний ось верхней эксцентриковой шейки ротора 9, эксцентрично смещенной на величину эксцентриситета E относительно общей центральной оси ротора, будет описывать окружность диаметром A=2E. Вместе с эксцентриковой шейкой ротора крутильные вибрационные движения будет совершать электромагнитная плита с заготовками. Эти вибрации будут иметь амплитуду A и частоту f, равную частоте вращения ротора.
B
Вышеупомянутый гарантированный зазор Z между плитой и крепежными планками, дающий возможность свободного перемещения плиты в горизонтальной плоскости, должен быть не менее удвоенной амплитуды колебательных движений, т.е. Z>2A мм.
Устройство работает следующим образом.
Устройство применимо для плоского шлифования при работе как торцом, так и периферией круга, но данное описание относится к плоскому шлифованию торцом круга на плоскошлифовальном станке с крестовым (прямоугольным) столом и вертикальным шпинделем, например, мод. 3Д732Ф1.
Для установки и закрепления плоских призматических заготовок используется предлагаемое устройство, выполненное на основе электромагнитной прямоугольной плиты по ГОСТ 17519-81.
P
Нагрузка врезания, действующая по нормали на обрабатываемую поверхность заготовки, создается механизмами станка подачей S (см. фиг.4), как при традиционном плоском шлифовании. Выбор величины нагрузки врезания и глубины резания зависит от конкретных условий обработки и технических требований к обрабатываемой поверхности.
ПР
И
ПОП
При плоском шлифовании заготовка вместе со столом совершает возвратно-поступательные движения S, при этом инструменту сообщают вращательное движение V и поперечную подачу S на каждый двойной ход стола.
B
B
При вращении ротора ТАД привода крутильных колебаний электромагнитная плита устройства с заготовками будет описывать окружность диаметром A относительно вертикальной оси, т.е. совершать крутильные вибрационные колебания с амплитудой A (мм) и частотой f (Гц), равной частоте вращения ротора ТАД привода крутильных колебаний.
ПР
B
И
В результате наложения на возвратно-поступательное движение стола станка с заготовками со скоростью S крутильных вибрационных колебаний со скоростью V электромагнитной плиты создается перекрестное движение заготовки под алмазно-абразивными зернами инструмента относительно вектора скорости инструмента V и периодически изменяется величина и направление суммарной скорости резания и сила трения (см. фиг.5). Происходит изменение направления скольжения обрабатываемой заготовки относительно шлифовального круга и алмазно-абразивные зерна начинают работать как передними, так и боковыми, и задними гранями, а также изменяется в сторону увеличения интенсивность съема металла и ширина обработки за один проход. При этом облегчается съем металла и стружкообразование, улучшается самозатачивание зерен, а переменные силы активно перераспределяются в плоскости резания, вследствие чего полностью подавляются автоколебания и сила трения уменьшается до 4 раз. Кроме того, это позволяет увеличить число активно работающих алмазно-абразивных зерен и интенсифицировать срезание выступов неровностей обрабатываемой поверхности заготовок.
ПР
B
И
В результате совмещения продольного возвратно-поступательного движения со скоростью S устройства и крутильных вибрационных колебаний электромагнитной плиты с заготовками со скоростью V, а также вращательного движения инструмента - V на обработанной поверхности формируется износостойкий, регулярный микрорельеф с перекрестным направлением рисок и неровностями малой и однородной высоты, улучшается качество поверхностного слоя заготовки и гасятся автоколебания.
Улучшаются условия работы алмазно-абразивных зерен, уменьшается их износ, повышается интенсивность съема материала и размерная стойкость инструмента, создается благоприятная кинематика движения алмазно-абразивных зерен относительно заготовки, что также снижает шероховатость обработанной поверхности.
Снижение силы трения и гашение автоколебаний шлифовального шпинделя с кругом позволяет улучшить качество обработанной поверхности при одновременном увеличении режимов и производительности. Полное подавление автоколебаний и уменьшение силы трения при использовании предлагаемого устройства позволяет повысить режимы и производительность обработки в 2,5…3 раза без ухудшения качества обработанной поверхности.
Кроме того, в таких условиях стойкость инструмента возрастает до 2 раз по сравнению со стойкостью при традиционной алмазно-абразивной обработке без наложения колебаний.
Предлагаемое устройство позволяет повысить производительность также благодаря совмещению черновой и чистовой обработки.
При шлифовании мягкими шлифовальными кругами обеспечивается однотонная зеркально чистая поверхность с малой высотой неровностей.
Шлифование жесткими алмазно-абразивными кругами с применением предлагаемого устройства не уступает по производительности высокоскоростному шлифованию и обеспечивает улучшение качества обработанной поверхности.
Таким образом, происходит интенсивно воздействующее на обрабатываемую поверхность шлифование с крутильными вибрационными колебаниями заготовки, которое существенно улучшает качество обработанной поверхности и повышает в несколько раз производительность. Следует отметить, что виброшлифование сопровождается образованием упрочненного поверхностного слоя, обладающего повышенной микротвердостью и наличием остаточных сжимающих напряжений.
B
-1
Проведены производственные испытания с использованием предлагаемого устройства для вибрационного плоского шлифования, установленного на плоскошлифовальный станок с крестовым (прямоугольным) столом и вертикальным шпинделем, например, мод. 3Д732Ф1. Плоские призматические заготовки общей массой до 10 кг устанавливались на электромагнитную прямоугольную плиту по ГОСТ 17519-81 предлагаемого устройства. Обработка проводилась с частотой вибраций f=10…50 Гц и величиной амплитуды вибрационных колебаний A=0,75…2,50 мм. Приводом крутильных колебаний использовался торцовый асинхронный электродвигатель, позволяющий получать частоту вращения ротора в пределах от 600…3000 мин.
Значения технологических факторов (частоты вибраций, величины амплитуды вибрационных колебаний) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность вибрационного воздействия на элементарную площадку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6…10. Дальнейшее увеличение кратности воздействия ведет к возникновению больших инерционных сил и автоколебаний.
Производственные испытания показали, что предложенное устройство обеспечивает осцилляцию теплового поля, интенсифицирует процесс обработки вследствие прироста площади контакта заготовки с инструментом за один проход, позволяет получить пересечение под углом траекторий движения алмазно-абразивных зерен шлифовального круга с направлением исходной шероховатости, обуславливая сетку следов и характер микрогеометрии как при хонинговании, шлифохонинговании с наложением вибраций. Улучшаются условия самозатачивания шлифовального круга.
Опытное шлифование плоских заготовок с использованием предлагаемого устройства позволяет стабильно получать шероховатость Ra=0,32 мкм по всей длине с 95% вероятностью и полном отсутствии следов «рубленности». Исследованиями установлено, что производительность процесса виброшлифования повышается с увеличением амплитуды колебаний. Следовательно, с точки зрения повышения интенсивности съема материала следует выбирать наибольшие амплитуды колебаний. Производительность процесса изменяется в зависимости от частоты колебаний не монотонно. Для обработки материалов в различных условиях имеются диапазоны частот, при которых достигается наибольший съем материала. Так, при обработке заготовок из Ст.3 с традиционно выбранными режимами шлифования, оптимальными оказались частоты порядка 30…40 Гц.
Устройство расширяет технологические возможности плоского шлифования, повышает качество и производительность обработки за счет сообщения заготовкам низкочастотных, не зависящих от частоты вращения инструмента крутильных вибрационных колебаний, интенсифицирует процесс шлифования и позволяет осуществлять резание не только передними, но и боковыми, и задними гранями алмазно-абразивных зерен, а также за счет увеличения зоны контакта инструмента с заготовкой, позволяющей экономно расходовать алмазно-абразивный материал, снижает затраты на изготовление и эксплуатацию за счет упрощения конструкции вибропривода.
Источники информации
1. Заявка на изобретение RU №2004129025/02. МПК B24B 1/04. Способ шлифования. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Чудинов М.А. 01.10.2004; 10.03.2006.
2. Хорбенко И.Г. Ультразвук в машиностроении. М., 1974.
3. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. С.93-101.
4. Загрядцкий В.И., Кобяков Е.Т., Степанов Ю.С. Торцовые асинхронные электродвигатели и электромеханические агрегаты. Под общей ред. докт. технич. наук, проф. Ю.С.Степанова - М.: Машиностроение - 1, 2003 - С.6-15, рис.1.4-1.5.
5. Патент RU 2058655, C6 H02K 5/16, 17/00. Торцовая электрическая асинхронная машина / Загрядцкий В.И., Кобяков Е.Т. 1996. Бюл. №11.
6. Патент RU 2140700, C1 6 H02K 5/173, 5/16, 17/16. Торцовая электрическая асинхронная машина / Загрядцкий В.И., Кобяков Е.Т., Сидоров Е.П. 1999. Бюл. №30.