СПОСОБ ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО ИГЛОФРЕЗЕРОВАНИЯ ПЛОСКОСТЕЙ
OSCILLATING NEEDLE HOBBING OF PLANES

Изобретение относится к способам и устройствам для механической обработки иглофрезерованием с целью удаления с поверхности металлов шлака, продуктов коррозии, прокатной окалины, заусенцев, для резания металлов и предназначено для механизации снятия заусенцев, округления кромок и обработки плоскостей на фрезерных, многопозиционных и многооперационных станках.
Известен способ и устройство для очистки поверхностей от продуктов коррозии, окалины и т.д., содержащее приводной диск с поочередно размещенными по его окружности пучками ворса и установленными в сквозных отверстиях диска абразивными цилиндрами [1].
Недостатками известного способа и устройства являются: невозможность интенсифицировать процесс обработки и съема металла ввиду того, что абразивные цилиндры вращаются только за счет сил трения, кроме того, по мере износа абразива цилиндры будут с меньшим усилием прижиматься к обрабатываемой поверхности из-за свойств прижимных пружин, причем способ и устройство не позволяют полностью использовать режущие свойства абразива, который требует очень большой скорости вращения (порядка нескольких тысяч оборотов при таких малых диаметрах цилиндров) диска, что трудно осуществить по динамическим соображениям, тем самым будет снижаться производительность и качество обработки. Кроме того, при увеличении силы прижима устройства к обрабатываемой поверхности пучки ворса будут максимально прогибаться, не осуществляя резание металла.
Известен способ и устройство иглофрезерования плоских поверхностей, включающий сообщение вращательного движения прерывистой торцовой иглофрезе, содержащей корпус с закрепленными на нем пучками проволочного ворса, причем пучкам проволочного ворса дополнительно сообщают радиальные возвратно-поступательные движения по выполненным на торце корпуса радиальным Т-образным пазам, в которых с возможностью радиального перемещения устанавливают планки, с поперечным сечением, ответным форме паза, при этом иглофрезу снабжают жестко установленными на планках стаканами сегментной формы, в которых закреплены проволочные пучки ворса, подшипниками, расположенными по обе стороны Т-образных пазов, на которые опираются стаканы, пружинами растяжения, расположенными в канавках корпуса и закрепленными на наружном торце планки и корпусе, для смещения планки к центру иглофрезы, и волноводом, имеющим наружную поверхность, контактирующую с внутренним торцом планки, расположенную под острым углом α к его продольной оси, воспринимающим удары бойка гидравлического генератора импульсов и расположенным в центральном продольном отверстии полого шпинделя, на котором закрепляют иглофрезу, а внутренний торец планки выполняют под острым углом α к ее поперечной плоскости [2, 3].
Известные способ и устройство для обработки плоскостей отличаются ограниченными возможностями, низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, высокой себестоимостью изготовления заготовок из-за сложности конструкции применяемой оснастки, низкой производительностью, не высокой точностью и качеством обработки.
Задача изобретения - расширение технологических возможностей, снижение себестоимости изготовления заготовок благодаря упрощению конструкции применяемой оснастки, повышение производительности, точности и качества обработки путем обеспечения осевого вибрационного возвратно-поступательного продольного перемещения корпуса с иглодержателями, а также за счет введения дополнительного радиального осциллирующего движения иглодержателей, зависящего от частоты вибраций корпуса.
Эта задача решается предлагаемым способом осциллирующего иглофрезерования плоскостей, включающим сообщение вращательного движения прерывистой торцовой иглофрезе, содержащей корпус с закрепленными на нем пучками проволочного ворса, при этом пучкам проволочного ворса сообщают радиальные возвратно-поступательные движения, а корпусу сообщают дополнительное возвратно-продольное осциллирующее движение относительно продольной оси, благодаря которому иглодержатели совершают радиальные возвратно-поперечные колебательные движения, для этого с торца в корпусе растачивают глухие отверстия, расположенные под острым углом β, который выполняют в диапазоне 0<β<45°, к продольной оси, при этом в отверстиях, с возможностью перемещения по скользящей посадке устанавливают штоки, причем на внешних торцах штоков, которые выполняют сферическими, шарнирно закрепляют иглодержатели, с воздействующими на обрабатываемую поверхность пучками проволочного ворса, а на внутренние торцы штоков воздействуют пакеты тарельчатых пружин, предварительно сжатые и создающие рабочее давление и находящиеся в глухом отверстии, при этом вышеупомянутые иглодержатели соединены между собой гибкой связью с помощью винтовых цилиндрических пружин сжатия.
Сущность предлагаемого способа и реализующей его осциллирующей иглофрезы поясняется чертежами.
На фиг.1 показана схема иглофрезерной обработки плоскости заготовки с использованием иглофрезы с продольным осциллирующим движением корпуса, которое вызывает поперечные осциллирующие движения иглодержателей с пучками проволочного ворса, совмещенный продольный разрез при различных положениях корпуса, как результат осциллирующего движения, а именно - в верхнем (слева) и нижнем положениях (справа); на фиг.2 - общий вид иглофрезы, положение иглодержателей, максимально удаленных от центра при верхнем положении корпуса, тонкими линиями показано положение иглодержателей, сведенных к центру, при нижнем положении корпуса; на фиг.3 - поперечное сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - поперечное сечение В-В на фиг.2; на фиг.5 - поперечное сечение Г-Г иглодержателя на фиг.1, положение проволочного ворса под нагрузкой; на фиг.6 - вид по Д на фиг.3, положение проволочного ворса при действии импульсной нагрузки, позволяющей перемещать иглодержатели с пучками проволочного ворса радиально к центру иглофрезы при ходе корпуса сверху вниз; на фиг.7 - вид по Д на фиг.3, положение проволочного ворса при действии импульсной нагрузки, позволяющей перемещать иглодержатели с пучками проволочного ворса радиально от центра к периферии иглофрезы при ходе корпуса снизу вверх; на фиг.8, 9, 10 - разновидные конструкции тарельчатых пружин с радиальными пазами и центральным отверстием, продольный разрез и вид с торца; на фиг.9 - вариант конструкции тарельчатой пружины с меньшей жесткостью по сравнению с пружиной, представленной на фиг.8; на фиг.10 - вариант конструкции тарельчатой пружины с меньшей жесткостью по сравнению с пружиной, представленной на фиг.9; на фиг.11 - след пучка проволочного ворса, закрепленного на иглодержателе, на обрабатываемой поверхности, вид сверху.
И
ПР
ПОП
Предлагаемый способ и реализующее его устройство предназначены для интенсивной высокопроизводительной обработки иглофрезерованием металлов и сплавов прерывистой иглофрезой, которой сообщают вращательное движение V, а заготовка вместе со столом совершает возвратно-поступательные движения S и поперечную подачу S на каждый двойной ход стола.
Предлагаемый способ и конструкция устройства для обработки плоскостей включает иглофрезу, предназначенную для установки на шпинделе станка и содержащую корпус 1 с закрепленными на нем пучками проволочного ворса 2. В корпусе с торца расточены глухие отверстия 3, расположенные под острым углом β, который выполнен в диапазоне 0<β<45°, к продольной оси.
В отверстиях 3 с возможностью перемещения по скользящей посадке установлены штоки 4. На внешних торцах 5 штоков, которые выполнены сферическими, шарнирно закреплены иглодержатели 6. В иглодержателях установлены и закреплены известными способами пучки проволочного ворса 2, воздействующие на обрабатываемую поверхность.
K
Внутренние торцы штоков 4 контактируют с пакетом тарельчатых пружин 7, которые находятся в глухих отверстиях 3 и создают рабочее давление будучи предварительно сжатыми. Тарельчатые пружины 7 аккумулируют энергию осциллирующего движения A корпуса 1 и работают как буферы и амортизаторы, воспринимая большие силы при относительно малых габаритных размерах. Тарельчатые пружины могут быть выполнены по ГОСТ 3057-79 из стали 60С2, а также из пружинной стали по ГОСТ 14963-78. На фиг.8-10 представлены некоторые конструкции тарельчатых пружин: на фиг.8 - тарельчатые пружины с радиальными пазами и центральным отверстием, на фиг.9 - вариант конструкции тарельчатой пружины с меньшей жесткостью по сравнению с пружиной, представленной на фиг.8, на фиг.10 - вариант конструкции тарельчатой пружины с меньшей жесткостью по сравнению с пружиной, представленной на фиг.9.
K
Корпусу 1 сообщают дополнительное возвратно-продольное осциллирующее движение A относительно продольной оси, благодаря которому иглодержатели 6 с пучками проволочного ворса 2 совершают радиальные возвратно-поперечные колебательные движения А.
Иглодержатели 6 соединены между собой гибкой связью с помощью винтовых цилиндрических пружин сжатия 8. Гибкое соединение между собой иглодержателей винтовыми цилиндрическими пружинами сжатия предусмотрено с целью сохранения ориентации иглодержателей и самопроизвольного поворота, ввиду шарнирного крепления их на штоках. Длина всех штоков 4 одинаковая. В зависимости от технологических задач количество рабочих отверстий 3 в корпусе 1 может быть от двух и более штук, желательно четное количество и диаметрально противоположное расположение друг против друга, исходя из конструктивных соображений. Сферический торец 5 штока 4 вставлен в глухое отверстие со сферическим днищем подпятника 9, установленного на свободном торце иглодержателя 6.
K
С целью интенсификации процесса иглофрезерования корпусу сообщают дополнительное возвратно-продольное осциллирующее движение с амплитудой A относительно продольной оси.
Угол β наклона штоков принимается не более 45°, т.е. в пределах 0<β<45°, относительно продольной оси. Отличительной особенностью предлагаемого способа и устройства является то, что иглодержатели установлены на штоках подвижно относительно корпуса и имеют возможность перемещаться под углом β к продольной оси, т.е. изменять свое местоположение как в продольном, так и в поперечном направлениях.
Рассмотренная конструкция иглофрезы позволяет нагружать иглодержатели с пучками проволочного ворса в радиальном направлении импульсной нагрузкой.
Особенности работы по предлагаемому способу, реализуемому данной иглофрезой, следующие.
Способ и инструмент применимы в основном для плоского иглофрезерования при работе торцом данного дискового инструмента, а также удаления с поверхности металлов шлака, продуктов коррозии, прокатной окалины, заусенцев, для механизации снятия заусенцев, округления кромок и обработки плоскостей на фрезерных, многопозиционных и многооперационных станках.
Нагрузка врезания, действующая по нормали на обрабатываемую поверхность заготовки, создается механизмами станка, как при традиционном плоском иглофрезеровании. Выбор величины нагрузки врезания зависит от конкретных условий обработки и технических требований к обрабатываемой поверхности.
K
ПР
ПОП
И
В качестве механизма импульсного нагружения с амплитудой А иглодержателей с проволочными пучками ворса применяется известный генератор импульсов, который воздействует на корпус и нагружает его с амплитудой A. При плоском иглофрезеровании заготовка вместе со столом совершает возвратно-поступательные движения S и поперечную подачу S на каждый двойной ход стола, а инструменту сообщают вращательное движение V.
Импульсная ударная продольная нагрузка на корпус, преодолевая сопротивление тарельчатых пружин 7, воздействует на иглодержатели с пучками проволочного ворса, перемещает их поперек оси корпуса в радиальном направлении от периферии к центру на величину амплитуды А (см. фиг.1-3). После окончания действия удара корпус возвращается в верхнее положение, а иглодержатели с пучками проволочного ворса возвращаются в первоначальное положение к периферии с помощью тарельчатых пружин 7.
K
Величина поперечной амплитуды осцилляции А иглодержателей зависит от величины продольной амплитуды корпуса A и угла β наклона отверстий под штоки к продольной оси. Величина А определяется по формуле:
K
А=A·tgβ мм,
где: А - величина поперечной амплитуды осцилляции иглодержателей, мм;
K
A - величина продольной амплитуды осцилляции корпуса, мм;
β - угол наклона отверстий со штоками к продольной оси устройства, град.
ПР
В результате наложения на вращательное движение инструмента импульсного радиального перемещения иглодержателей с пучками ворса создается перекрестное движение пучков ворса инструмента относительно вектора скорости продольной подачи заготовки S и периодически изменяются скорость резания и сила трения (см. фиг.11). На фиг.11 показан след пучка проволочного ворса за один оборот, закрепленного на иглодержателе, на обрабатываемой поверхности, вид сверху, стрелками показано направление радиального осциллирующего движения. Происходит изменение направления скольжения иглодержателей с пучками ворса относительно обрабатываемой заготовки, ворс начинает работать как передней поверхностью (см. фиг.5), так и боковыми (см. фиг.6-7) поверхностями; увеличивается интенсивность съема материала. При этом облегчается съем металла и стружкообразование, улучшается самозатачивание ворса, а переменные силы активно перераспределяются в плоскости резания, вследствие чего полностью подавляются автоколебания. Кроме того, это позволяет увеличить число активно работающих проволочек ворса и интенсифицировать срезание выступов неровностей поверхности.
В результате совмещения импульсного возвратно-поступательного радиального движения иглодержателей с пучками ворса и вращательного движения инструмента на обработанной поверхности формируется износостойкий регулярный микрорельеф с перекрестным направлением рисок и неровностями малой и однородной высоты, улучшается качество поверхностного слоя детали и гасятся автоколебания. Причем улучшаются условия работы ворса, повышается интенсивность съема материала и создается благоприятная кинематика движения пучков ворса относительно заготовки, что также снижает шероховатость обработанной поверхности.
Таким образом, происходит интенсивно воздействующее на обрабатываемую поверхность иглофрезерование с импульсным нагружением пучков ворса инструмента, которое существенно улучшает качество обработанной поверхности и повышает в несколько раз производительность.
Проведены производственные испытания с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частоты осцилляции, величины подач) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность ударного воздействия на элементарную площадку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6…10. Дальнейшее увеличение кратности воздействия ведет к возникновению больших инерционных сил и вибраций.
Перед началом работы новым инструментом правили рабочую поверхность проволочного ворса путем его шлифования в собранном виде. В качестве ворса применяли стальную пружинную проволоку диаметром 0,5…1,0 мм из стали 65 Г.
В процессе обработки поверхности продольно перемещающейся заготовки иглофрезу прижимали к ней с натягом. Благодаря прерывистой рабочей поверхности пучков ворса основное силовое воздействие на обрабатываемую поверхность осуществляют первые по ходу вращения проволочные элементы одного пучка (см. фиг.5), имеющие наибольшие свободную длину l и прогиб f. Соседние с ними проволочные элементы упруго поджимают их, несколько увеличивая сосредоточенное суммарное воздействие на обрабатываемую поверхность.
В известных конструкциях иглофрез контакт со срезаемым припуском и резание осуществляют проволочные элементы передними поверхностями.
В предлагаемом способе иглофреза контактирует со срезаемым припуском и резание осуществляют проволочные элементы не только передними поверхностями (см. фиг.5), но и боковыми поверхностями, расположенными как справа, так и слева (см. фиг.6-7) относительно передней поверхности. Контакт боковыми поверхностями осуществляется попеременно в зависимости от направления радиальной подачи пучков ворса и направления прогиба f. Это интенсифицирует обработку и повышает качество обработки.
П
ПР
-1
Способ целесообразно использовать при зачистной (без снятия стружки) и отделочной (со снятием стружки) обработке заготовок на фрезерных и зачистных станках. Для осуществления отделочной обработки необходимо, чтобы твердость и предел прочности при растяжении материала проволочных элементов ворса были выше этих параметров материала обрабатываемой заготовки в 1,5…2 раза, соотношение l/i, 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 устройства можно рекомендовать следующие. Окружная скорость для отделочной обработки 2…5 м/с. Продольная подача определяется по формуле S=L-n (мм/мин), где n - частота вращения устройства, мин; значение L (мм) зависит от натяга и диаметра корпуса и определяют опытным или расчетным путем.
Испытания иглофрезы, работающей по прелагаемому способу, при отделочной обработке заготовки из горячекатанной полосы из стали 20 показали, что иглофреза срезает с обрабатываемой поверхности окалину вместе с упрочненным слоем, при этом в процессе иглофрезерования благодаря наложению импульсной нагрузки и радиальному возвратно-поступательному перемещению пучков ворса обработанная поверхность упрочняется, усилие прижатия иглофрезы к обрабатываемой поверхности заготовки составляет 200…600 Н на 10 мм ширины рабочей поверхности иглофрезы, а тангенциальная составляющая силы резания равна 150…550 Н.
P
В
B
Для отделочно-зачистной обработки предлагаемым способом данной иглофрезой необходимо соблюдать условия K=р/σ=1,5…2,0; где р - давление при иглофрезеровании, МПа; σ - предел прочности материала обрабатываемой заготовки, МПа. Выбор соответствующего давления р зависит от физико-механических свойств материала проволочного ворса, от жесткости и плотности последнего, а также от натяга.
При отделочной обработке металлов предлагаемым способом данной иглофрезой твердость обработанной поверхности повышается, в результате улучшается 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 255…400 кН.
Производственные испытания показали, что предложенный способ данной иглофрезой интенсифицирует процесс обработки вследствие прироста площади контакта заготовки с инструментом за один проход, позволяет получить пересечение под углом траекторий движения пучков ворса с направлением исходной шероховатости. Улучшаются условия самозатачивания проволочных элементов ворса.
Способ расширяет технологические возможности плоского иглофрезерования, повышает качество и производительность обработки за счет сообщения пучкам ворса низкочастотных, не зависящих от частоты вращения инструмента, радиальных колебаний, интенсифицирует процесс иглофрезерования за счет приложения к пучкам ворса радиальной импульсной силы, позволяющей осуществлять резание не только передними, но и боковыми поверхностями проволочных элементов ворса.
Преимуществом способа и данной иглофрезы является возможность плавного регулирования амплитуды осциллирующих движений, которая позволяет легко оптимизировать процесс обработки в производственных условиях при изменении обрабатываемого материала, химико-термической операции, режущих проволочных элементов инструмента, технических условий, режимов резания.
Источники информации
1. А.с. СССР 1493248, МКИ А46В 7/08 // В24В 45/00. Устройство для обработки поверхностей. Перепичка Е.В. и Скалько Н.С. Заявка № 3984461/31-12, заяв. 04.12.85, опубл. 15.07.89. Бюл. № 26.
2. Патент РФ № 2296652, МПК В23С 5/00. Иглофреза для обработки плоскостей с импульсным нагружением. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И. и др. Заявка № 2005129401/02, 20.09.2005; 10.04.2007. Бюл. № 10.
3. Патент РФ № 2294819, МПК В23С 3/00. Способ импульсного иглофрезерования плоских поверхностей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Харламов Г.А., Тарапанов А.С., Афанасьев Б.И., Василенко Ю.В., Фомин Д.С., Самойлов Н.Н. Заявка 2005129374/02, 20.09.2005; 10.03.2007. Бюл. № 7 - прототип.