УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ИГЛОФРЕЗЕРОВАНИЯ
DEVICE FOR PULSE WIRE BRUSHING

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, позволяющего 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 поверхностей тел вращения, содержащего корпус с расположенными в нем режущими элементами и волноводом, к которому с помощью бойка прикладывают периодическую импульсную нагрузку, вырабатываемую гидравлическим генератором импульсов, при этом корпус выполнен охватывающим заготовку, на торце которого в радиальных пазах установлены режущие элементы в форме пучков ворса из V-образно изогнутых внутрь корпуса металлических проволочек так, что периферийная часть пучков лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, а отогнутая часть - под углом α к этой плоскости, причем пучки образуют рабочую охватывающую заготовку поверхность диаметром, равным диаметру заготовки, при этом в отверстии корпуса размещен волновод, выполненный в форме втулки, периодическая импульсная нагрузка которого направлена на дополнительное сообщение перемещения металлических проволочек пучков ворса, выпрямляя их и создавая натяг, кроме того, угол изгиба пучков проволочек взят не менее значения, определяемого по формуле:
0
α≥arc cos(1-t/l),
где t - припуск, снимаемый иглофрезой, мм;
0
l - длина отогнутых металлических проволочек пучков ворса, мм.
Сущность предлагаемого устройства для иглофрезерования поверхностей тел вращения поясняется чертежами.
ИМ
На фиг.1 представлена наладка для обработки заготовки вала, установленного в трехкулачковом самоцентрирующем патроне токарного станка с поджатием задним центром, предлагаемым устройством в момент перед включением рабочего хода, частичный продольный разрез; на фиг.2 - схема обработки заготовки предлагаемым устройством в момент импульсного нагружения режущих элементов - пучков ворса, продольный разрез; на фиг.3 - поперечное сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - элемент Б на фиг.1, где тонкими линиями показано положение металлических иголок пучка ворса при действии импульсной нагрузки Р.
з
Предлагаемое устройство служит для иглофрезерования поверхностей тел вращения 1 с периодическим импульсным нагружением пучков ворса 2 из V-образно изогнутых внутрь корпуса 3 металлических проволочек. Обрабатываемой заготовке 1 сообщают вращательное движение V, а режущим элементам 2 - продольную подачу
ПР
S.
Корпус 3 является частью гидроцилиндра, который охватывает заготовку 1. Гидроцилиндр выполнен в виде двух концентрических цилиндров: наружного и внутреннего, между которыми расположены боек 4 и волновод 5, изготовленные в виде втулок.
3
На торце корпуса 3 в радиальных пазах установлены режущие элементы 2, выполненные в форме пучков ворса из V-образно изогнутых внутрь корпуса металлических проволочек так, что периферийная часть пучков лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, а отогнутая часть - под углом α к этой плоскости. Торцы пучков отогнутой части образуют режущую рабочую охватывающую заготовку поверхность диаметром D в свободном, не нагруженном состоянии равным диаметру заготовки. Металлические проволочки торцами периферийной частью прикреплены к пластине 2п, например, точечной сваркой. Крепление пучков ворса 2 в радиальных пазах корпуса осуществляется гайкой 6, которая консольно защемляет вместе с пластиной 2п периферийную часть пучков, располагаемую в плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства.
ИМ
ИМ
В гидроцилиндре размещен волновод 5, на который с одного торца воздействует боек 4, создавая периодическую импульсную нагрузку Р, вырабатываемую гидравлическим генератором импульсов (ГГИ) (не показан), который подключен к корпусу 3 [2-4]. Другим торцом волновод 5 воздействует на отогнутые части пучков ворса 2. Периодическая импульсная нагрузка Р волновода направлена на дополнительное сообщение перемещения металлических проволочек пучков ворса 2, выпрямляя их и создавая дополнительный натяг.
Угол изгиба пучков проволочек к плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, зависит от величины припуска, снимаемого предлагаемым иглоинструментом, и длины отогнутых металлических проволочек пучков ворса и должен быть не менее значения, определяемого по формуле:
0
α≥arc cos (1 - t/l),
где t - припуск, снимаемый предлагаемым иглоинструментом, мм;
0
l - длина отогнутой части металлических проволочек пучков ворса, мм.
3
Пучки ворса 2, образующие охватывающую рабочую режущую поверхность, расположены в пазах торца корпуса 3 радиально относительно продольной оси устройства. При износе пучки ворса правятся и настраиваются на нужный диаметр заготовки D путем радиального смещения к центру и установки прокладок 7. На фиг.2, внизу, условно показан максимально изношенный пучок ворса с максимальным количеством регулировочных прокладок 7.
ПР
ИМ
3
Корпус 3 с инструментом 2 подается на заготовку в продольном направлении S таким образом, что заготовка проходит через центральное отверстие корпуса цилиндра. При действии на торец волновода 5 бойка 4, которые соосно установлены в корпусе 3, создается импульсная нагрузка Р путем удара волновода по изогнутым частям пучков ворса, выпрямляя их (см. фиг.2), и совместно с вращательным движением заготовки V происходит внедрение иголок в обрабатываемую поверхность, резание и снятие стружки. Такой импульсный режим резания позволяет интенсифицировать процесс иглофрезерования.
3
ПР
ИМ
В качестве механизма импульсного нагружения иглоинструмента предлагаемого устройства применяется гидравлический генератор импульсов (не показан) [2, 3]. Заготовке сообщают вращательные движения V, а устройству с иглоинструментом - продольную подачу S. Периодическую импульсную Р нагрузку прикладывают в направлении продольной подачи к изогнутой части пучков ворса, стремясь выпрямить их и направить иглы радиально к центральной оси обрабатываемой поверхности.
ИМ
Периодическую импульсную нагрузку Р осуществляют с помощью бойка 4, воздействующего на торец волновода 5. В результате удара бойка по торцу волновода в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать на пучки ворса и на обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов. Дойдя до обрабатываемой поверхности, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы резания, которая интенсифицирует процесс.
Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструмента экспериментально.
ИМ
При перемещении бойка в продольном направлении согласно фиг.1-2 отогнутые пучки ворса воспринимают на себя периодическую импульсную нагрузку Рволновода, благодаря которой отогнутые части пучка ворса выпрямляются и радиально приближаются к обрабатываемой поверхности, производя резание.
ИМ
Общая продольная периодическая импульсная нагрузка Р бойка по волноводу воспринимается отогнутой частью пучков ворса и равномерно распределяется на каждую иглу. Это значит, что каждый пучок ворса своими иголками оказывает режущее воздействие с импульсной нагрузкой, направленной вдоль обрабатываемой поверхности.
ИМ
Периодическая импульсная нагрузка Р должна быть больше суммарной силы, требуемой для деформации по выпрямлению отогнутой части пучков ворса и силы, необходимой для резания. Отвод волновода и бойка после удара в первоначальное положение (согласно фиг.1-2 вправо) осуществляется за счет упругости пучков ворса и возвращения отогнутой части в первоначальное свободное состояние.
В результате удара бойка по торцу волновода и волновода по изогнутым пучкам ворса последние воздействуют на обрабатываемую поверхность с цикличностью, задаваемой гидравлическим генератором импульсов. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами пучков.
Точность формы обрабатываемой поверхности заготовки предлагаемым устройством повышается и снижается величина шероховатости благодаря самоцентрированию и самоустановке пучков ворса на обрабатываемой поверхности при ее биениях и вибрациях.
Если припуск будет не большим (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 вала с использованием гидравлического генератора импульсов [2, 3]. Значения технологических факторов (частоты ударов, диметр 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 путем внутреннего шлифования 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 вращающейся заготовки пучки проволочного ворса касаются заготовки, т.е. пока не действует ударная импульсная нагрузка Р обработки нет.
ИМ
При действии импульсной нагрузки Р на рабочие пучки ворса основное силовое воздействие на обрабатываемую поверхность осуществляют первые по ходу вращения проволочные элементы, имеющие свободную длину 1 и прогиб под углом α. Соседние с ними проволочные элементы упруго поджимают их, несколько увеличивая сосредоточенное суммарное воздействие на обрабатываемую поверхность.
0
п
ПР
-1
Для осуществления обработки резанием 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 инструмента можно рекомендовать следующие. Окружная скорость заготовки 0,2…0,5 м/с. Продольная подача определяется по формуле S=L·n (мм/мин), где n - частота вращения заготовки, мин; значение L (мм) зависит от натяга и диаметра инструмента и определяется опытным или расчетным путем.
Испытания устройства при обработке заготовки вала из горячекатанного проката из стали 20 показали, что оно срезает с обрабатываемой поверхности окалину вместе с оставленным припуском, усилие прижатия пучков ворса к обрабатываемой поверхности заготовки составляет 200…600 Н на 10 мм ширины рабочей поверхности пучков, а тангенциальная составляющая силы резания равна 150…550 Н.
р
в
в
Для обработки предлагаемым устройством необходимо соблюдать условия К=р/σ=1,5…2,0: где р - импульсное давление при иглофрезеровании, Мпа; σ - предел прочности материала обрабатываемой заготовки, Мпа.
Выбор соответствующего импульсного давления р зависит от физико-механических свойств материала проволочного ворса, от жесткости и плотности последнего, а также от угла наклона α.
ИМ
При обработке металлов предлагаемым устройством 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 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 ворса.
Устройство расширяет технологические возможности иглофрезерования в комбинации с окончательным упрочнением, повышает качество и производительность обработки за счет сообщения пучкам ворса низкочастотных продольных колебаний, интенсифицирует процесс иглофрезерования и упрочнения за счет приложения к пучкам ворса продольной импульсной силы, а также за счет увеличения зоны контакта инструмента с заготовкой.
Преимуществом устройства является возможность плавного регулирования частоты и усилия импульсной нагрузки, которая позволяет легко оптимизировать процесс обработки в производственных условиях при изменении обрабатываемого материала, химико-термической операции, режущих проволочных элементов инструмента, технических условий, режимов резания.
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 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 824 969, МКИ А46В 7/10. Цилиндрическая щетка. Берков Б.В. 2809273-12; 08.08.79; 30.04.81. Бюл. №16.
6
2. Патент РФ 2 098 259, МКИ В24В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. 96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. №34.
3. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.
4. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. №34.