SU1592148A1 - Способ ультразвукового микрофиниширования цилиндрических поверхностей - Google Patents

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к ультразвуковой обработке абразивным инструментом. Цель изобретения - повышение качества и увеличение производительности обработки цилиндрических поверхностей. Обработку осуществляют инструментом, выполненным в виде двух абразивных брусков 14 и 15. Бруски 14 и 15 прижимают к обрабатывае-

1592148 А1

те· 1

3

1592148

4

мой поверхности заготовки 16. Направление воздействия брусков на обрабатываемую поверхность выбирают из соотношения хд β = (0,1-1,2) 2 ί А : V, где β - угол между направлением воздействия бруска на заготовку и направлением продольной подачи

инструмента; ί - частота ультразвуковых колебаний; V -'скорость ультразвуковых колебаний; А - средний размер абразивных зерен. Направления воздействия брусков противоположны относительно направления продольной подачи. 2 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой обработке абразивными, алмазными брусками и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в том числе для финишной обработки деталей машин, плазменнонапыленных деталей, деталей из композиционных материалов.

Цель изобретения - увеличение производительности и повышение качества обработки.

Цель достигается тем, что обработка осуществляется двумя абразивными (или алмазными) инструментами, размещенными под определеным углом к заготовке и перемещаемыми вдоль обрабатываемой поверхности. При этом бруски воздействуют на обрабатываемую поверхность в противоположных направлениях.

Ультразвуковые колебания брусков являются рабочим движением и при их выключении обработка прекращается.

Зерна брусков совершают как поперечные, так и продольные колебания.

Для обеспечения таких колебаний волновод выполнен, например, по сфере диаметром Ц = (1,5-1,8)6 (6 - диаметр концентратора), усеченной двумя плоскостями и имеющей паз, разделяющий сферическую часть волновода на два элемента, в каждом из которых выполнены сквозные отверстия, симметрично расположенные относительно его оси.

Отверстия могут быть выполнены по контуру, наружная часть которого эквидистантна сфере, а внутренняя часть контура отверстия является линией.симметричной наружному контуру сферы относительно оси элемента, наклоненной к направлению подачи под углом воздействия ультразвуковых колебаний брусков.

На фиг.1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 - вид А на фиг.1.

Магнитострикционный преобразователь 1 закреплен в корпусе 2 акустической головки, которая зажата посредством болтов 3 в разрезной гильзе 4, установленной в суппорте станка (не показаны). Преобразователь соединен с ультразвуковым генератором (не показан).

Акустическая головка охлаждается водой, подаваемой через гибкие шланги и штуцера 5 и 6. Возможно использование для охлаждения СОЖ, подаваемой гидросистемой станка.

К нижнему торцу ультразвукового концентратора 7 жестко прикреплен волновод 8, который со стороны присоединения брусков выполнен по сфере, усеченной двумя наклонными плоскостями и имеющей паз 9, разделяющий сферическую часть на два элемента 10 и 11 (фиг.2) с криволинейными осями 12 и 13, являющимися симметричными относительно оси волновода, направленными в противоположные стороны и наклонными к направлению продольной подачи под углом β, углом воздействия брусков на обрабатываемую поверхность.

Отверстия в элементах 10 и 11 могут быть круглыми, фасонными. Они должны обеспечить необходимое изменение направления распространения ультразвуковых колебаний путем соответствующего изменения формы и поперечного сечения элементов 10 и 11,

Для интенсификации съема и более равномерного распределения амплитуды колебаний по длине брусков отверстия в элементах могут быть выполнены сложноконтурными, причем наружная часть контура эквидистантна наружному контуру сферы, а внутренняя часть является линией, симметричной наружному контуру сферы относительно криволинейной оси элемента, наклонной к направлению подачи под углом

д

Во избежание возникновения изгибных колебаний диаметр сферы выбирают в пределах ϋ = (1,5-2) 6, где 6 - диаметр концентратора.

Подгонку волновода на резонансную длину осуществляют подрезанием торца со стороны цилиндрической части волновода.

К элементам 10 и 11 волновода присоединены пайкой или склеиванием обрабатывающие абразивные (алмазные) бруски 14 и

1592148

"5

15 (фиг.2), Бруски могут быть различной зернистости: первый брусок с большей зернистостью для съема основной части припуска, второй - мелкозернистый для достижения меньшей шероховатости. Обрабатываемую заготовку 16 устанавливают в центрах токарного станка (не показан).

При реализации способа устройство может быть использовано для ультразвукового упрочнения одновременно двумя шариками, воздействующими на обрабатываемую поверхность под углом β, если вместо абразивных брусков закрепить шарики .

Для улучшения поступления СОЖ в зону резания на рабочей поверхности брусков выполнена специальная насечка в виде небольших пересекающихся пазов.

Прижим брусков к заготовке осуществляют механизмом поперечной подачи станка, в который введен упругий элемент (не показан), т.е. применяют упругое кинематическое замыкание системы заготовка - алмазный брусок, что по сравнению с прижатием с постоянной силой обеспечивает. в большей степени уменьшение неровностей обработанных поверхностей: волнистости, овальности и др.

Способ ультразвукового микрофиниширования осуществляют следующим образом.

При включении ультразвукового генератора ультразвуковые колебания в волноводе распределяются между двумя криволинейными элементами, изменяя направление колебаний относительно оси преобразователя, при этом за счет уменьшения площади сечения волноводных элементов происходит определенное усиление колебаний.

В нижней части волновода ультразвуковые колебания передаются брускам 14 и 15, которые воздействуют на обрабатываемую поверхность.

Бруски прижимают с усилием, например, Р = 0,1-1,2 МПа к обрабатываемой заготовке 16, которой сообщают вращательное движение со скоростью, например, V = 0.3-1,7 м/с.

В процессе микрофиниширования акустическая головка совместно с волноводом и брусками совешает возвратно-поступательные перемещения в продольном направлении.

Отличительной особенностью в механизме съема припуска при ультразвуковом микрофинишировании является то, что способ обеспечивает внедрение зерен в материал не перпендикулярно к обрабатываемой поверхности, а под некоторым углом, что облегчает механизм разрушения металла при

снятии припуска, в основном, за счет опти- У

мальной ориентации возникающих касательных напряжений, приводящих к

элементарным сдвигам деформируемого

металла.

Траектории относительного движения зерен первого и второго брусков пересекаются. так как продольные составляющие колебаний направлены в противоположные стороны; по этой причине попадание зерен второго бруска в бороздки от зерен первого бруска практически исключается, что приводит к интенсификации съема припуска и улучшению' качества обрабатываемой поверхности.

Для высокопроизводительного ультразвукового микрофиниширования необходимо обеспечить зигзагообразное относительное движение зерен бруска, что возможно при определенном значении угла β. который определяет интенсивность микрорезания брусков и микрорельеф обрабатываемой поверхности. Угол β определяют из отношения продольной и поперечной составляющих амплитуды колебаний брусков

хд β = —^поп- ; а_Поп и а_Прод являются основЭпрод

ными параметрами и процесса ультразвукового микрофиниширования (рабочими движениями), определяющими шероховз-. тость обрабатываемой поверхности, ее качество (микротвердость, характер остаточных напряжений) и геометрические параметры микрорельефа.

Угол β определяют из следующего соотношения:

хд>3 = (0.1 1,2)^,

где V - скорость вращения заготовки:

ί - частота ультразвуковых колебаний;

А - средний размер абразивных зерен. Составляющая амплитуды ультразвуковых колебаний, перпендикулярная к обрабатываемой поверхности заготовки, является поперечной.

Амплитуда поперечных колебаний определяет, главным образом, глубину внедрения алмазных зерен в обрабатываемый материал, которая зависит и от усилия прижима брусков к заготовке и от жесткости СПИД.

Величина внедрения зерен должна быть не меньше радиуса скругления режущей вершины зерна (для исключения выглаживания), но не должна, как установлено экспериментально, превышать 1/3 А (А средний размер зерен).

Диапазон амплитуды поперечных колебаний Эпоп = (1/10-1/3) А.

7

1592148

8

При а_Поп>1 /3 А наблюдается дробление зерен, их выкрашивание из связки, ухудшается качество обрабатываемой поверхности, увеличивается шероховатость.

При а_Поп<1/10 А существенно снижается производительность (выражается в скорости удаления обрабатываемого металла).

Значение апоп определяет, в основном, степень разрушения обрабатываемого материала механизмом, характерным для ультразвуковой размерной обработки свободным абразивом,

Продольную составляющую ультразвуковых колебаний алмазных брусков выбирают такой, чтобы обеспечить срезание выступов микропрофиля обрабатываемой поверхности за период колебаний, в основном, механизмом резания-царапания, как при шлифовании. Для этого апрод должна быть не меньше среднего шага неровностей по вершинам микропрофиля.

Ультразвуковое микрофиниширование можно осуществлять в два этапа: 1-й этап высокопроизводительный технологический режим; 2-й этап - отделочный режим, причем переход от 1-го к 2-му этапу осуществляют уменьшением усилия прижима брусков к обрабатываемой заготовке, а также уменьшением амплитуды ультразвуковых колебаний, увеличением скорости вращения обрабатываемой заготовки.

Для увеличения производительности способ может быть применен в комбинации с электрохимическим растворением как посредством автономного электрода-инструмента, так и при использовании алмазных брусков на металлической связке в качестве . , электродов-инструментов.

Во избежание значительных электроэрозионных процессов в рабочей зоне на • бруски и заготовку подают импульсы технологического тока синхронно с поперечной составляющей колебаний брусков, причем импульс тока проходит за время полуволны ультразвуковых колебаний инструмента при его сжатии, т.е. в периоды максимальных значений МЭЗ.

Использование предлагаемого способа упрощает устройство для обработки, так как в нем отсутствует вибратор (чаще всего гидравлический) продольных колебаний брусков, их функции в определенной степени выполняет продольная составляющая колебаний. Значительно уменьшаются вибрации на станке, улучшаются условия работы, расширяются технологические возможности, так как наличие низкочастотной осцилляции брусков с амплитудой до б мм при обычной обработке затрудняет изготовление обниженных цилиндрических участков.

Ультразвуковое микрофиниширование увеличивает производительность обработки в 1,5-1,8 раза, так как в работе одновременно участвуют два бруска.

Взаимное пересечение траекторий относительного движения зерен обеспечивает большую изотропность физико-механических свойств поверхности и равнозначный в продольном и поперечном направлениях микрорельеф.

Внедрение зерен брусков под углом к обрабатываемой поверхности обуславливает ее наклеп, т.е. напряжения сжатия.

Увеличение производительности происходит также в результате того, что путь, проходимый зерном в единицу времени, значительно больше (2-6 раз), чем путь зерна при низкочастотной осцилляции бруска.

Обработка двумя брусками, совершающими ультразвуковые колебания и расположенными под углом к обрабатываемой поверхности в противоположных направлениях, устраняет динамические из'гибные усилия в технологической системе и создает специфический микрорельеф на поверхности.

При применении второго бруска с более мелким зерном в большей степени возрастает снижение шероховатости, в связи с чем операция шлифования исключается, обработка производится после обточки токарным резцом. Используя предлагаемый способ, можно обрабатывать, как наружные цилиндрические и конические поверхности, так и плоские поверхности деталей.

Способ ультразвукового микрофиниширования был применен для финишной обработки плззменнонапыленной цилиндрической ступени диаметром 70-0,015 мм и Р_а = 0,12 мкм эксцентрикового вала роторного двигателя внутреннего сгорания.

Обработку осуществляли после обтачивания резцом; шероховатость поверхности обеспечивали в пределах К_а “ 1-1,2 мкм.

Ультразвуковое микрофиниширование осуществляли при одновременном воздействии двух алмазных брусков на обрабатываемую поверхность в противоположных направлениях под углом β =’20°.

Режим обработки:

Ультразвуковая частота, кГц 22

Скорость вращения ’

обрабатываемой заготовки, мс 1,5

Удельное давление прижима

алмазных брусков к

заготовке, МПа 0,2-0,5

9

1592148

10

Использовали алмазные бруски : первый брусок АСМ 20/14, второй брусок АСМ 14/10 (нумерация брусков по пути резания).

Время съема припуска составило 14 с (при обработке по известному способу 24 с). 5 Обработанная поверхность за счет того,

что траектории движения алмазных зерен пересекаются, имела специфический микрорельеф с большей однородностью в продольном и поперечном направлениях, 10 шероховатость поверхности при обработке уменьшалась с Ра ~ 0,1 ...0,12 мкм (при обработке по известному способу) до В_а = 0,060,08 мкм.

Достигнуто повышение производитель- 15 ности более чем на 70% при снижении шероховатости обработанной поверхности.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Способ ультразвукового микрофиниширования цилиндрических поверхностей, 20 осуществляемый абразивным инструментом, который перемещают вдоль обрабатываемой поверхности и прижимают к ней, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности и повышения качества обработки, микрофиниширование осуществляют инструментом, выполненным в виде двух абразивных брусков, направление воздействия кторых на обрабатываемую поверхность выбирают из соотношения

   19)3 = (0,1 1.2)^,

   где β - угол между направлением воздействия бруска на заготовку и направлением продольной подачи инструмента;

   ί - частота ультразвуковых колебаний;

   А - средний размер абразивных зерен: V - скорость вращения заготовки,

   при этом направления воздействия брусков противоположны относительно направления продольной подачи.

   Вид А

   Фиг 2