сборный алмазно-абразивный инструмент для многоступенчатых отверстий

Формула изобретения

Сборный абразивно-алмазный инструмент, содержащий несколько соосно установленных на шпинделе кругов, имеющих диаметры, перепады которых соответствуют перепадам диаметров обрабатываемых ступеней заготовки, и прерывистую периферийную рабочую поверхность, отличающийся тем, что круги состоят из отдельных абразивно-алмазных сегментов, закрепленных на упругих торовых оболочках, и установлены, кроме круга с минимальным диаметром, под углом _i к плоскости, перпендикулярной оси вращения, с образованием аксиально смещенного режущего слоя высотой B_i, при этом через центральное продольное и поперечные отверстия в шпинделе осуществлена подача сжатого воздуха в упругие торовые оболочки для приведения инструмента в рабочее состояние, при котором все сегменты контактируют с обрабатываемыми поверхностями, причем величина угла наклона кругов _i и высота B_i аксиально смещенного режущего слоя каждого круга, кроме круга с минимальным диаметром, определены, соответственно, по формулам

где _i - угол наклона к плоскости, перпендикулярной оси вращения, i-го круга, кроме круга с минимальным диаметром;

l_i, D_i - соответственно длина и диаметр отверстия i-й ступени;

l_min, D_min - соответственно длина и диаметр отверстия ступени с минимальным диаметром;

n_i, z_i - соответственно количество и ширина впадин на i-м круге;

n_min , z_min - соответственно количество и ширина впадин на первом минимальном круге.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству алмазно-абразивного инструмента для обработки многоступенчатых деталей и может найти применение, например, при обработке беговых дорожек шарошек и лап буровых долот.

Известен сборный инструмент, работающий по способу шлифования многоступенчатых деталей, при котором шлифование всех ступеней деталей производят одновременно несколькими соосно установленными кругами, имеющими диаметры, перепады которых соответствуют перепадам обрабатываемых ступеней детали, с прерывистыми рабочими поверхностями, при этом отношение длины рабочей поверхности шлифовального круга к длине взаимодействующей с ней поверхности обрабатываемой ступени постоянно [1].

Недостаток данного инструмента состоит в том, что он в процессе шлифования не обеспечивает высокой точности перепадов диаметров детали и стабильного качества поверхностного слоя каждой обрабатываемой ступени, так как окружные рабочие скорости каждого составляющего круга шлифовального блока различны (шлифовальный блок составлен из набора кругов различных диаметров).

Скорости шлифовального круга оказывают влияние на всю совокупность показателей обработки: толщину слоя, снимаемую одним абразивным зерном; силу резания, развиваемую одним зерном; шероховатость шлифованной поверхности; мгновенную температуру в зоне работы зерна; износ шлифовального круга и др. показатели. То есть способ и инструмент не учитывают влияние режимных параметров обработки (скорости круга и скорости детали в каждом поперечном сечении взаимодействующих поверхностей круга и заготовки) и тем самым не обеспечивают высокой точности и стабильности качества поверхности каждой ступени.

При этом, делая периферийную режущую поверхность искуственно прерывистой путем прорезания и образования впадин, неэффективно используют возможности абразивного инструмента, снижают производительность металлосъема и КПД процесса, увеличивают расход абразива.

Наиболее близким по технической сущности является сборный шлифовальный инструмент, содержащий корпус, на котором установлены абразивные круги с прерывистой рабочей поверхностью, образованной чередующимися выступами и впадинами, боковые поверхности выступов в радиальном направлении имеют криволинейную форму, определяемую из соотношения

где l - длина дуги рабочего участка выступа на R_i радиусе круга;

R₁ - первоначальный радиус шлифовального круга;

₁ - центральный угол в радианах дуги выступов, соответствующий первоначальному радиусу шлифовального круга;

_i, R_i - текущие значения соответственно центрального угла и радиуса шлифовального круга [2].

Недостаток данного инструмента состоит в том, что он в процессе шлифования не обеспечивает высокой точности перепадов диаметров детали и стабильного качества поверхностного слоя каждой обрабатываемой ступени, так как окружные рабочие скорости каждого составляющего круга шлифовального блока различны (шлифовальный блок составлен из набора кругов различных диаметров). Скорости шлифовального круга оказывают влияние на всю совокупность показателей обработки: толщину слоя, снимаемую одним абразивным зерном; силу резания, развиваемую одним зерном; шероховатость шлифованной поверхности; мгновенную температуру в зоне работы зерна; износ шлифовального круга и др. показатели. Кроме того, периферийная режущая поверхность, искусственно сделанная прерывистой путем прорезания и образования впадин, неэффективно использует возможности абразивного инструмента, снижает производительность металлосъема и КПД процесса, увеличивает расход абразива.

Техническим результатом предлагаемого инструмента является повышение точности формы и стабильности качества поверхности вдоль всей ширины каждой ступени, повышение производительности металлосъема и КПД процесса, а также снижение расхода абразива.

Технический результат достигается тем, что используют сборный абразивно-алмазный инструмент, который включает несколько соосно установленных на шпинделе кругов, имеющих диаметры, перепады которых соответствуют перепадам диаметров обрабатываемых ступеней заготовки, причем круги имеют прерывистую периферийную рабочую поверхность, состоят из отдельных абразивно-алмазных сегментов, закрепленных на упругих торовых оболочках, и образуют аксиально смещенный режущий слой высотой В_i, кроме круга с минимальным диаметром, благодаря установке кругов под углом _i к плоскости, перпендикулярной оси вращения, определяемым по формуле:

где _i - угол наклона к плоскости, перпендикулярной оси вращения, i-го круга, кроме круга с минимальным диаметром;

l_i, D_i - соответственно длина и диаметр отверстия i-й ступени;

l_min, D_min - соответственно длина и диаметр отверстия ступени с минимальным диаметром;

n_i, z_i - соответственно количество и ширина впадин на i-м круге;

n_min , z_min - соответственно количество и ширина впадин на первом минимальном круге, а высота В_i аксиально смещенного режущего слоя каждого круга, кроме круга с минимальным диаметром, определяется по формуле:

при этом приведение инструмента в рабочее состояние, при котором все сегменты контактируют с обрабатываемыми поверхностями, осуществляют путем подачи сжатого воздуха в упругие торовые оболочки через центральное продольное и поперечные отверстия в шпинделе.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображена схема способа алмазно-абразивной обработки внутренней поверхности двухступенчатой заготовки предлагаемым сборным инструментом, продольный разрез; на фиг.2 - поперечный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - поперечный разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - общий вид инструмента.

Предлагаемый сборный алмазно-абразивный инструмент предназначен для чистовой окончательной обработки многоступенчатых отверстий одновременно всех ступеней.

Инструмент включает несколько соосно установленных сборных кругов 1, 2, ...i, которые состоят из отдельных алмазно-абразивных сегментов 3, поэтому круги имеют прерывистую периферийную рабочую поверхность с величинами впадин z_min, z₂, ...z_i. Круги 1, 2, ...i имеют диаметры, перепады которых соответствуют перепадам обрабатываемых ступеней заготовки.

Отдельные алмазно-абразивные сегменты 3 кругов закреплены на упругих оболочках 4 в виде торов посредством пластин 5. В качестве сегментов 3 могут быть алмазно-абразивные слои соответствующей формы на любой связке, а также лепестки алмазно-абразивной шкурки. Для увеличения периода стойкости инструмента в качестве абразивного материала используют эльбор, искусственные и природные алмазы на каучуковой связке, толщина алмазно-абразивного слоя 3 на гибкой связке составляет 1 мм и более.

Упругая оболочка 4 изготовлена, например, из резины или другого эластичного материала в виде тора и приводится в рабочее состояние путем подачи сжатого воздуха через центральное продольное 6 и поперечные 7 отверстия в шпинделе 8, на котором установлен сборный инструмент.

Круги 2, ...i, кроме первого круга с минимальным диаметром D_min, установлены таким образом, что образуют аксиально смещенный режущий слой высотой В₂...В_i благодаря установке кругов под углом _i к плоскости, перпендикулярной оси вращения.

Установку кругов 2, ...i под углом _i осуществляют с помощью косых шайб 9, расположенных попарно с торцов каждого круга, и дисков 10, которые поддерживают форму круга. Путем взаимного разворота косых шайб 9 относительно друг друга производят установку круга под необходимым углом _i.

Величину угла _i для установки кругов 2, ...i, кроме первого, назначают из следующих соображений.

При шлифовании известными обычными, а также [1 и 2] многоступенчатыми кругами качество поверхностного слоя каждой заготовки в партии будет разное, так как толщина срезаемого слоя металла одним алмазно-абразивным зерном постоянна в каждом поперечном сечении ступеней заготовки, причем значение этой толщины изменяется по мере износа кругов. При постоянстве частоты вращения шпинделя инструмента уменьшение диаметра круга вызывает резкое увеличение толщины срезаемого слоя. При этом происходит неравномерный радиальный износ рабочего профиля шлифовального круга. С уменьшением диаметра круга, по мере износа, круг изнашивается более интенсивно (работает как более мягкий), уменьшается размерная стойкость профиля инструмента. Неравномерный радиальный износ рабочего профиля круга переносится на обрабатываемую поверхность заготовки. В результате обрабатываемая поверхность принимает искаженную форму, не обеспечивается высокая точность перепадов диаметров заготовки [3].

Предлагаемый инструмент лишен этих недостатков, так как диаметры кругов каждой ступени не изменяются и поддерживаются постоянными за счет подачи сжатого воздуха в упругую оболочку, из которой состоит корпус круга. Площадь контакта первого минимального круга с обрабатываемой поверхностью заготовки определяется по формуле:

где S_min - площадь контакта первого минимального круга с обрабатываемой поверхностью заготовки;

С_min - длина режущей рабочей поверхности первого минимального круга за вычетом суммарной величины впадин, определяемая по формуле:

D_min - диаметр первого минимального круга;

n_min - количество впадин на первом минимальном круге;

z_min - ширина впадины на первом минимальном круге;

l_min - высота первой минимальной ступени заготовки.

Тогда выражение (1) перепишется в виде

Так как алмазно-абразивные зерна, расположенные на разных ступенях инструмента, должны снимать одинаковую толщину срезаемого слоя, приравняем площади контактов кругов:

С одной стороны, зная, что

где S_i - площадь контакта i-го круга с обрабатываемой поверхностью заготовки;

D_i - диаметр i-го круга;

n_i - количество впадин на i-м круге;

z_i - ширина впадины на i-м круге;

В_i - высота i-го круга.

С другой стороны, согласно формулам (3), (4)

Приравнивая выражения (5) и (6), определяем необходимую высоту В_i i-го круга:

Угол наклона аксиально смещенного режущего слоя определим из того, что данной высотой B_i i-го круга необходимо обработать всю ширину l_i i-й ступени, не пользуясь продольной подачей. Из этого следует, что

где А_i - амплитуда осцилляции аксиально смещенного режущего слоя i-го круга.

Откуда, используя выражение (7), определяем А_i.

Зная, что tg _i=А_i/D_i, определим значение угла наклона i-го круга:

Сборный инструмент работает следующим образом.

В нерабочем состоянии без сжатого воздуха в упругих оболочках наружный диаметр каждого круга по алмазно-абразивным брускам меньше внутреннего диаметра обрабатываемой ступени многоступенчатого отверстия, поэтому инструмент свободно вводится в отверстие заготовки.

Инструмент крепится жестко на шпинделе, например, шлифовальной бабки внутри шлифовального станка, обрабатываемая заготовка, например шарошка бурового долота, - на шпинделе передней бабки. Точное самоцентрирование инструмента обеспечивается за счет упругих оболочек кругов.

Инструмент совершает вращательное движение со скоростью V_и, а радиальная подача S_p алмазно-абразивных брусков осуществляется с помощью подачи сжатого воздуха в упругие оболочки кругов, благодаря чему диаметр каждого круга по алмазно-абразивным брускам становится равным внутреннему диаметру обрабатываемой ступени. Заготовке придают вращательное движение V_з в противоположном направлении относительно вращения инструмента.

Таким образом, происходит алмазно-абразивная обработка одновременно всеми брускам каждого круга с осцилляцией брусков, кроме брусков на минимальном круге, которая существенно улучшает качество обработанной поверхности и повышает в несколько раз производительность.

Однако одновременное контактирование всех брусков с обрабатываемой поверхностью вызывает повышение температуры в поверхностном слое заготовки, а вместе с ней появление прижогов и микротрещин.

Осцилляция брусков в сочетании с прерывистым резанием отдельными брусками снижают температуру насыщения в поверхностном слое обрабатываемой заготовки и гарантируют бесприжоговость обработки.

Благодаря этому облегчается съем материала и стружкообразование, улучшается самозатачивание зерен, а переменные силы активно перераспределяются в плоскости резания, и сила трения уменьшается в несколько раз. Перекрестное осциллирующее движение увеличивает число активно работающих абразивных зерен и интенсифицирует срезание выступов неровностей поверхности. При этом на обработанной поверхности формируется износостойкий регулярный микрорельеф с перекрестным направлением рисок и неровностями малой и однородной высоты.

Преимущества предлагаемого инструмента для алмазно-абразивной обработки многоступенчатых отверстий: более плавная безударная обработка; большая жесткость технологической системы; повышается качество и точность обработки, расширяются технологические возможности и появляется возможность обрабатывать как конические, так и цилиндрические, а также фасонные отверстия; возможность снятия больших неравномерных припусков; в 2-3 раза повышается производительность обработки благодаря большой площади контакта инструмента с заготовкой.

Быстрое изменение и установка оптимального значения в зависимости от конкретных условий радиальной подачи S_p брусков за счет изменения давления Р_сж подаваемого сжатого воздуха также способствует увеличению производительности.

Благодаря применению упругой оболочки и равномерному распределению давления сжатого воздуха на все бруски, независимо от случайной разной толщины алмазно-абразивного слоя на брусках и других погрешностей изготовления и сборки инструмента, бруски равномерно распределяют между собой снимаемый припуск, обеспечивая безвибрационную работу инструмента.

Конкретно реализацию предлагаемого инструмента покажем на примере обработки дорожек качения шарошки бурового долота.

Заготовка: диаметр и длина малой ступени - соответственно 41,7 мм и 28 мм; диаметр и длина большой ступени - соответственно 70,7 мм и 30 мм; марка абразивных сегментов на кругах - 24А 25 СМ1 К 5, количество сегментов на малом круге - 6, величина впадины - 4 мм; количество сегментов на большом круге - 8, величина впадины - 5 мм. Режимные параметры: частота вращения инструмента - 14000 мин^-1; частота вращения заготовки 30 мин^-1; припуск на сторону - 0,15 мм. Давление подаваемого сжатого воздуха Р_сж=0,4...0,6 МПа.

Высоту B₂ аксиально смещенного режущего слоя большого круга определяли по формуле (7):

Значение угла наклона второго большого круга определяли по формуле (10):

При данных конструктивных параметрах большого круга малая и большая ступени заготовки обрабатывалась при одинаковых условиях шлифования. Кроме того, данное постоянство сохранялось для каждой детали в партии до полного износа сегментов кругов. Это привело к повышению ряда дополнительных технико-экономических показателей процесса врезного шлифования: сокращению расхода абразивных сегментов кругов и дорогостоящего правящего инструмента, повышению производительности обработки.

С применением инструмента создаются условия для широкого использования его в автоматическом цикле процесса алмазно-абразивной обработки.

Предлагаемый сборный алмазно-абразивный инструмент для обработки многоступенчатых отверстий, состоящий из кругов с аксиально смещенным режущим слоем, кроме минимального круга, обеспечивает постоянство:

- нагрузки на шлифующее зерно;

- силы резания, развиваемой одним зерном в каждой ступени и в каждом сечении;

- контактной температуры в зоне шлифования и всех остальных параметров процесса шлифования.

Это приводит к равномерному износу рабочих профилей алмазно-абразивных кругов, а следовательно, и к повышению точности формы поверхностей, т.к. при врезном шлифовании форма профиля круга копируется на форме обрабатываемой поверхности, стабильности качества поверхности вдоль всей ширины ступени.

Источники информации, принятые во внимание

1. А.с. SU №795889, В 24 В 1/00, В 24 В 5/12. 15.01.81. Способ шлифования многоступенчатых деталей.

2. А.с. SU №872238, В 24 D 5/00, В 24 17/00. 15.10.81. Сборный шлифовальный инструмент - прототип.

3. Маслов Е.Н. Теория шлифования металлов. М.: Машиностроение, 1974, 320 с.