УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО ИГЛОФРЕЗЕРОВАНИЯ ТОРЦЕВОЙ ИГЛОФРЕЗОЙ
DEVICE FOR STATIC-PULSE NEEDLE MILLING WITH END NEEDLE CUTTER

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам и способам обработки иглофрезерованием со статико-импульсным нагружением инструмента.
Известна схема фрезерования тела вращения путем внешнего касания фрез, при этом используется вращение обрабатываемой заготовки и независимое вращение и врезная радиальная подача фрезы [1].
Известный способ обработки, реализуемый дисковой или цилиндрической фрезой, имеет ограниченные технологические возможности, низкую производительность и качество обработки.
Известна цилиндрическая щетка и способ механической обработки ею. Известная цилиндрическая щетка содержит 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 [2].
Известная цилиндрическая щетка и способ обработки, реализуемый ею. Известная цилиндрическая щетка 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 импульсного нагружения многоэлементного режущего инструмента.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для иглофрезерования, которое содержит корпус в виде диска, с расположенными на торце по периферии режущими элементами в виде пучков ворса, причем пучки ворса изготовлены из V-образно изогнутых металлических проволочек, одним торцом жестко закрепленных на пластине, при этом пучки ворса установлены в отверстиях корпуса выпуклой частью к периферии под углом к продольной оси, причем вершиной изогнутые пучки контактируют с кулачковым диском, который закреплен неподвижно относительно корпуса и имеет выступы и впадины на внутренней поверхности и охватывает иглофрезу так, что при набегании пучка на выступ его консольная часть выпрямляется, кроме того, консольная часть пучка контактирует с опорой, расположенной в центральной части рабочего торца корпуса.
Сущность конструкции и работы предлагаемого устройства поясняется чертежами.
СТ
ИМ
На фиг.1 представлена наладка для обработки заготовки вала, установленного в трехкулачковом самоцентрирующем патроне токарного станка с поджатием задним центром, предлагаемым устройством, продольный разрез, левый пучок ворса условно показан под импульсной нагрузкой; на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1, пучки ворса в положении статической нагрузки; на фиг.3 - вид снизу по Б на фиг.1, пучки ворса в положении импульсной нагрузки; на фиг.4 - элемент В на фиг.1, пучок ворса нагружен только постоянной статической нагрузкой Р; на фиг.5 - элемент В на фиг.1, пучок ворса нагружен импульсной нагрузкой Р; на фиг.6 - схема наладки для обработки плоской поверхности, общий вид устройства.
З
И
ПР
П
Предлагаемое устройство служит для иглофрезерования поверхностей тел вращения 1 с постоянным статическим и периодическим импульсным нагружением пучков ворса 2 из V-образно изогнутых металлических проволочек. Обрабатываемой заготовке вала 1 сообщают вращательное движение V, режущим элементам 2 - вращательное движение V, продольную подачу S и поперечную S ручную подачу для установки натяга (см. фиг.1).
ПР
П
И
Кроме того, устройство позволяет обрабатывать плоские поверхности 3, которым сообщают возвратно-поступательную продольную подачу S, поперечную S ручную подачу для установки натяга и вращательное движение V инструменту 2 (см. фиг.6).
Предлагаемое устройство содержит корпус 4 в виде диска с расположенными на торце по периферии режущими элементами в виде пучков ворса 2. Пучки ворса 2 изготовлены из V-образно изогнутых металлических проволочек, которые одним торцом жестко закреплены (например, точечной сваркой) на пластине 5. Пучки ворса 2 с пластиной 5 установлены в отверстиях корпуса 4 выпуклой частью к периферии под углом к продольной оси корпуса. Консольная часть пучков ворса своей вершиной изогнутых проволочек контактирует с кулачковым диском 6. Кулачковый диск 6 неподвижно закреплен относительно вращающегося корпуса 4 на обечайке 7, которая неподвижно установлена с помощью фланца 8, например, на шпиндельной бабке (не показана). Высота обечайки 7 выполнена такой, что обеспечивает расположение кулачкового диска 6 на уровне вершин V-образно изогнутой консольной части пучков ворса 2.
ИМ
СТ
Внутренняя поверхность кулачкового диска 6 выполнена в виде выступов 9 и впадин 10. Кулачковый диск 6 охватывает иглофрезу так, что при набегании пучка ворса 2 на выступ 9 его консольная часть выпрямляется (см. фиг.5) и увеличивается в длине, импульсно с большей силой Р воздействуя на обрабатываемую поверхность. При дальнейшем вращении иглофрезы вершины V-образно изогнутых пучков ворса совмещаются с впадинами 10 (см. фиг.4) и занимают первоначальное V-образное изогнутое положение. В этом положении длина консольной части пучка уменьшается и уменьшается сила воздействия на обрабатываемую поверхность до значения Р, первоначально настроенной и установленной с помощью ручной поперечной подачи
П
S. Возвращение пучков ворса в первоначальное изогнутое положение и заполнение впадины происходит под действием упругих сил, которыми обладают иголки иглофрезы.
Помимо контакта с кулачковым диском 6 с наружной стороны консольная часть пучков ворса 2 с внутренней стороны опирается на опору, выполненную в виде шайбы 11, которая закреплена в центральной части на торце корпуса.
Для того чтобы пучок ворса 2 не терял цилиндрическую форму и не "рассыпался", как вариант он может быть стянут кольцом 12 в месте изгиба проволочек, на уровне действия кулачкового диска 6 (см. фиг.4-5).
Угол изгиба пучков проволочек к плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, зависит от величины припуска, снимаемого предлагаемым иглоинструментом, и длины изогнутых металлических проволочек пучков ворса и подбирается экспериментально в каждом конкретном случае.
ИМ
З
При действии на изогнутые пучки ворса выступов кулачкового диска, выпрямляя их, создается импульсная нагрузка Р 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.
В результате набегания изогнутых пучков ворса на выступы кулачкового диска в пучках ворса возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать 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.
В результате воздействия выступов кулачкового диски на изогнутые пучки ворса последние своими иголками оказывает режущее воздействие с импульсной нагрузкой, направленной поперек обрабатываемой поверхности.
ИМ
Периодическая импульсная нагрузка Р должна быть больше суммарной силы, требуемой для деформации по выпрямлению изогнутой части пучков ворса, и силы, необходимой для резания.
В результате набегания выступов кулачкового диска на изогнутые пучки ворса, выпрямляя их, последние воздействуют на обрабатываемую поверхность с цикличностью, задаваемой размерами и количеством выступов и впадин кулачкового диска. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами пучков ворса.
Производительность обработки предлагаемым устройством повышается и снижается величина шероховатости благодаря биениям и вибрациям пучков ворса иглофрезы.
Если припуск будет не большим (менее 1 мм), то предлагаемое устройство работает как упрочняющее, без снятия стружки, так как металлические проволочки консольной части пучка полностью не выпрямляются.
Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, обработанного и упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки вала. Значения технологических факторов (частоты ударов, диметр инструмента, величины подач) 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 плоского шлифования в собранном виде. В качестве ворса применяли стальную пружинную проволоку диаметром 1,5…3 мм из стали 65Г.
СТ
ИМ
В процессе обработки наружной поверхности вращающейся заготовки пучки проволочного ворса обрабатывают заготовку с переменной силой. Когда пучки находятся во впадинах, они воздействуют на заготовку с силой Р, при набегании пучков на выступы действует ударная импульсная нагрузка Р.
СТ
ИМ
При действии как статической Р, так и импульсной Р нагрузок на рабочие пучки ворса основное силовое воздействие на обрабатываемую поверхность осуществляют первые по ходу вращения проволочные элементы, имеющие свободную длину и прогиб. Соседние с ними проволочные элементы, упруго поджимают их, несколько увеличивая сосредоточенное суммарное воздействие на обрабатываемую поверхность.
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, 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 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 составляет 200…600 Н на 10 мм ширины рабочей поверхности пучков, а тангенциальная составляющая силы резания равна 150…550 Н.
р
ИМ
в
ИМ
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.
ИМ
Выбор соответствующего импульсного давления Р зависит от физико-механических свойств материала проволочного ворса, от жесткости и плотности последнего, а также от угла наклона.
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 поперечной импульсной силы, а также за счет увеличения зоны контакта инструмента с заготовкой.
Устройство позволяет путем замены кулачкового диска регулировать частоту и усилие 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 устройством 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 статико-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
1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т.Т.1 / Под. ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякого. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.331…333.
3
2. А.с. СССР 824969, МКИ А46В 7/10. Цилиндрическая щетка. Берков Б.В. 2809273-12; 08.08.79; 30.04.81. Бюл. №16.