УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ИГЛОФРЕЗЕРОВАНИЯ ПЛОСКОСТЕЙ
DEVICE FOR PULSE NEEDLE-MILLING OF PLANES

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам и способам обработки иглофрезерованием с импульсным нагружением инструмента.
Известна цилиндрическая щетка и способ механической обработки ею, содержащая установленную на корпусе обойму с цилиндрическими гнездами, в каждом из которых размещен стакан с пучком ворса, и упругий элемент, расположенный под стаканами и контактирующий с корпусом, при этом стаканы установлены в гнездах свободно, каждое гнездо на внутренней поверхности имеет кольцевую проточку, а на наружной поверхности стакана выполнен кольцевой выступ, ширина которого меньше ширины проточки гнезда, причем упругие элементы размещены в канавках корпуса, кроме того, на упругих элементах смонтированы отражатели [1].
Известная цилиндрическая щетка и способ обработки, реализуемый ею, имеет ограниченные технологические возможности, не позволяет производить резание неровностей значительной глубины, не позволяет управлять усилием прижатия пучков ворса к обрабатываемой поверхности, т.е. не позволяет управлять глубиной резания, что снижает производительность и качество обработки.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей иглофрезерования благодаря использованию импульсного нагружения режущего инструмента, позволяющее управлять глубиной режущего слоя, микрорельефом поверхности, а также повышение качества, точности и производительности обработки благодаря использованию многоэлементного режущего инструмента.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для иглофрезерования плоских поверхностей, содержащее корпус с расположенными в нем пучками проволочного ворса, причем в радиальных пазах на торце корпуса, изготовленного в виде диска, установлены пластины с режущими элементами в форме пучков ворса из V-образно изогнутых металлических проволочек, которые жестко закреплены одним концом перпендикулярно плоскости пластины, а другим отогнутым концом, расположенным под углом α к плоскости, перпендикулярной плоскости пластины, образуют рабочую режущую поверхность, причем концы пучков отогнуты к периферии корпуса, при этом корпус размещен в обечайке, состоящей из двух колец, соединенных внахлестку с возможностью изменения высоты обечайки, кроме того, обечайка одним торцом неподвижно и жестко закреплена, а со стороны другого торца на внутренней поверхности выполнены выступы и впадины, контактирующие с отогнутыми концами пучков ворса, выпрямляя их при набегании пучков на выступы и создавая дополнительный натяг, при этом величина h превышения выступа над впадиной определяется по формуле:
,
где  - длина отогнутой части проволочки пучка ворса, мм.
Сущность предлагаемого устройства для иглофрезерования плоских поверхностей поясняется чертежами.
им
На фиг.1 представлена схема наладки для обработки плоской поверхности заготовки предлагаемым устройством, установленным на вертикально-фрезерном станке, продольный разрез; на фиг.2 - вид снизу по А на фиг.1; на фиг.3 - вариант конструкции кольца, поз.7, с более частым расположением выступов и впадин; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - элемент В на фиг.1, где тонкими линиями показано положение металлических иголок пучка ворса при действии импульсной нагрузки Р в результате набегания пучка ворса на выступ.
Предлагаемое устройство служит для иглофрезерования плоских поверхностей 1 и содержит корпус 2, в котором размещены пучки проволочного ворса 3. Корпус 2 изготовлен в виде диска, на торце которого в радиальных пазах установлены пластины 4 с режущими элементами в форме пучков ворса 3 из V-образно изогнутых металлических проволочек.
Пучки ворса 3 жестко закреплены (например, точечной сваркой) одним концом перпендикулярно плоскости пластины 4, а другие отогнутые концы, расположенные под углом α к плоскости перпендикулярной плоскости пластины 4, образуют рабочую режущую поверхность. Свободные концы пучков ворса 3 отогнуты от центральной продольной оси в сторону периферии корпуса 2.
На другом торце корпуса 2 расположен конус 5 для установки устройства в шпинделе, например, вертикально-фрезерного станка (не показан).
Корпус 2 с пучками ворса 3 размещен в обечайке, состоящей из двух колец 6 и 7, которые соединены внахлестку с возможностью изменения высоты Н обечайки. Обечайка соосно корпусу 2 одним торцом, изготовленным в виде фланца, выполненным на торце кольца 6, неподвижно и жестко закреплена, например, на шпиндельной бабке вертикально-фрезерного станка (не показан). Кольцо 7 со стороны другого торца обечайки на внутренней поверхности имеет выступы 8 и впадины 9, контактирующие с отогнутыми концами пучков ворса 3. При вращении корпуса 2 происходит набегание отогнутой части пучков ворса 3 на неподвижные выступы 8, в результате чего отогнутые части пучков перемещаются радиально к центру, а в целом пучки ворса выпрямляются, создавая дополнительный натяг. Величина h превышения выступа 8 над впадиной 9 зависит от длины и угла наклона отогнутой части пучков ворса и определяется по формуле:
,
где  - длина отогнутой части проволочки пучка ворса, мм.
ИМ
На фиг.3 приведен вариант конструкции кольца 7, у которого более частое расположение выступов 8 и резкий переход от выступа к впадине, чем у кольца 7, показанного на фиг.2. Резкий переход от выступа к впадине способствует более резкому ударному воздействию импульсной силы Р на отогнутую часть пучка ворса. Применение кольца 7, приведенного на фиг 3, позволяет увеличить производительность и улучшить качество обработанной поверхности, чем кольцо 7, показанное на фиг.2.
И
ПР
ИМ
Работа устройства осуществляется в следующей последовательности. Заготовка устанавливается на столе станка, например, в тисках (не показаны). Включают вращение инструмента V и, перемещая вручную шпиндельную бабку в направлении продольной подачи S, создают натяг, соответствующий снимаемому припуску t, затем включают поперечную подачу S стола с заготовкой. Отогнутая часть пучков ворса, контактируя с выступами 8 кольца 7, получает периодическое импульсное перемещение в поперечном направлении S и вместе с этим периодическую импульсную нагрузку Р.
ИМ
Периодическая импульсная нагрузка Р сообщает дополнительное перемещение отогнутым упругим проволочкам пучков ворса 3, выпрямляя их и создавая дополнительный натяг.
Угол изгиба α пучков проволочек к плоскости, параллельной продольной оси устройства, задаваемый в свободном состоянии, зависит от величины припуска t, снимаемого предлагаемым устройством, и длины  отогнутых металлических проволочек пучков ворса.
ИМ
При действии выступов 8 на изогнутые части пучков ворса создается импульсная нагрузка Р и происходит внедрение иголок в обрабатываемую поверхность, интенсивное резание и снятие стружки. Такой импульсный режим резания позволяет интенсифицировать процесс иглофрезерования.
При набегании отогнутой части пучка ворса на впадину 9 происходит возвращение отогнутой части в первоначальное свободное состояние и осуществляется это за счет упругости пучков ворса.
В результате воздействия выступов 8 на отогнутые части пучков ворса последние воздействуют на обрабатываемую поверхность с цикличностью, задаваемой внутренним профилем кольца 7, который содержит выступы 8 и впадины 9.
Точность формы обрабатываемой поверхности заготовки предлагаемым устройством повышается и снижается величина шероховатости благодаря самоустановке пучков ворса на обрабатываемой поверхности при ее биениях и вибрациях.
Если припуск будет небольшим (менее 1 мм), то предлагаемое устройство работает как упрочняющее, без снятия стружки, так как металлические проволочки отогнутой части пучка прогибаются в продольном направлении.
Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, обработанного и упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки плоской поверхности заготовки с использованием предлагаемого разработанного устройства. Значения технологических факторов (частоты ударов, диаметр инструмента, величина подачи) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность ударного и режущего воздействия на элементарную площадку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6…10. Дальнейшее увеличение кратности деформирующего и режущего воздействия ведет к возникновению больших инерционных сил и вибраций, которые отрицательно влияют на качество обработки.
Перед началом работы новым инструментом правили рабочую поверхность проволочного ворса на плоскошлифовальном станке в собранном виде. В качестве ворса применяли стальную пружинную проволоку диаметром 1,5…2,5 мм из стали 65Г.
ИМ
В процессе обработки наружной поверхности заготовки, которая двигалась возвратно-поступательно в направлении S, пучки проволочного ворса срезали припуск согласно предварительно настроенному натягу, т.е. пока не действует ударная импульсная нагрузка Р, обработка ведется со снятием минимального припуска.
ИМ
При действии импульсной нагрузки Р на отогнутые рабочие части пучков ворса основное силовое воздействие на обрабатываемую поверхность осуществляли первые по ходу движения проволочные элементы, имеющие уже меньший, чем α, угол наклона и больший натяг. Соседние с ними проволочные элементы упруго поджимали несколько увеличивая сосредоточенное суммарное воздействие на обрабатываемую поверхность.
П
И
-1
Для осуществления обработки резанием необходимо, чтобы твердость и предел прочности при растяжении материала проволочных элементов пучков ворса были выше этих параметров материала обрабатываемой заготовки в 1,5…2 раза, соотношение , где i - наименьший радиус инерции поперечного сечения проволочных элементов, находилось в пределах 50…100, а коэффициент К плотности проволочного ворса в пределах 0,7…0,9; при этом натяг должен составлять 0,7…1,5 мм. Режимы работы инструмента можно рекомендовать следующие: окружная скорость V для черновой обработки 2…3 м/с, для чистовой - 4…5 м/с. Поперечная подача заготовки определялась по формуле S=h·n (мм/мин), где n - частота вращения иглофрезы, мин; значение h (мм) зависит от натяга и диаметра инструмента и определяли опытным путем.
Испытания устройства при обработке заготовки полосы из горячекатаного проката из стали 20 показали, что оно срезает с обрабатываемой поверхности окалину вместе с оставленным припуском, усилие прижатия пучков ворса к обрабатываемой поверхности заготовки составляло 200…600 Н на 10 мм ширины рабочей поверхности пучков, а тангенциальная составляющая силы резания равнялась 150…550 Н.
ИМ
При обработке металлов предлагаемым устройством твердость обработанной поверхности повышается, в результате улучшаются износостойкость обрабатываемой поверхности и качество обработки, снижается величина шероховатости обрабатываемой поверхности, а также увеличивается производительность обработки и долговечность инструмента. Величина силы импульсного нагружения инструмента составляла Р=255…400 кН.
Производственные испытания показали, что предложенное устройство интенсифицирует процесс обработки благодаря воздействию импульсной нагрузки на режущие рабочие элементы, улучшаются условия самозатачивания проволочных элементов пучков ворса.
Устройство расширяет технологические возможности иглофрезерования в комбинации с окончательным упрочнением, повышает качество и производительность обработки за счет сообщения отогнутым концам пучков ворса низкочастотных поперечных колебаний, интенсифицирует процесс иглофрезерования и упрочнения за счет приложения к пучкам ворса поперечной импульсной силы.
Устройство позволяет оптимизировать процесс обработки в производственных условиях при изменении обрабатываемого материала, химико-термической операции, режущих проволочных элементов инструмента, технических условий, режимов резания путем замены кольца 7 с различными высотами h выступов 8 и различными расстояниями b между ними.
a
Достигаемая в процессе обработки предлагаемым инструментом предельная величина шероховатости составляет R=0,8 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 2,5 раза.
Микровибрации в процессе благоприятно сказываются на условиях работы предлагаемого устройства. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает резание и формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки.
При наложении колебаний рабочая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.
Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности импульсной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной срезаемого и упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования устройства и инструмента специальной формы с большим количеством режущих и деформирующих элементов, что позволяет увеличить производительность и снизить расходы на изготовление благодаря простоте конструкции.
Источники информации
3
1. А.с. СССР 824969, МКИ А46В 7/10. Цилиндрическая щетка. Берков Б.В. 2809273-12; 08.08.79; 30.04.81. Бюл. №16.