Станок для финишной обработки внутренних цилиндрических поверхностей

 

Использование: станкостроение. Сущность изобретения: станок содержит установленный вертикально в корпусе шпиндель с двумя полостями в торцах, а также установленный на двух стержнях патрон с механизмом крепления инструмента. В верхней полости шпинделя расположен механизм подачи и зажима детали, содержащий соединенные со штоком цангу и поршень двустороннего действия. Станок также содержит мезанизм закрепления патрона, выполненный в виде двух подпружиненных в патроне радиальных отверстиях с возможностью контактирования со стержнями. Станок также содержит механизм возврата патрона в исходное положение, выполненный в виде плоского элемента с выступами, установленного с возможностью перемещения по стержням и взаимодействия со штокоми дополнительно введенных цилиндров. 2 ил.

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано для взаимной притирки и доводки прецизионных деталей.

Известен станок для взаимной притирки конических поверхностей, содержащий систему энергоносителя, шпиндель, установленный в корпусе, механизм зажима деталей, поршень и цанга которого соединены между собой штоком, в котором установлен шток выталкивающего механизма, соединенный со своим поршнем.

Известен станок с циклом автоматического разжима притира, предназначенный для предварительной доводки цилиндрических поверхностей, содержащий систему энергоносителя, связанную с механизмом разжима притира через систему управления, включающую гидравлическое устройство для автоматического разжима притира и автоматическое устройство для отключения электродвигателя.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является станок для притирки конических поверхностей, содержащий систему энергоносителя, связанную через систему управления, включающую секционный блок управления, с полым шпинделем, установленным в корпусе механизма подачи и зажима деталей и снабженным двумя полостями, расположенными с торцов, в первой из которых размещен механизм подачи и зажима одной из деталей с соединенными штоком цангой и поршнем двустороннего действия, делящим торцовую полость шпинделя на две рабочие полости: полость цангового зажима и подающую полость, связанную с секционным блоком управления, и патрон с механизмом крепления другой детали, установленный на двух стержнях, закрепленных со стороны шпинделя эквидистантно его оси.

Однако используемые в промышленности станки для доводки и притирки конических поверхностей не обладают ресурсами, заложенными конструктивным их исполнением, позволяющими существенно увеличить производительность и точность обработки. Как правило, снижение времени обработки влечет за собой ухудшение точностных характеристик обрабатываемых поверхностей. Эти стенки не могут быть применены для обработки цилиндрических поверхностей по следующим причинам: из-за невозможности обработки деталей малого диаметра в связи с малыми окружными скоростями, а также потому, что траектория относительного движения конических деталей при обработке на этих станках отлична от траектории движения цилиндрических деталей, требующих дополнительного комплекса движений, отсутствующих на существующих станках для обработки конических поверхностей.

Существующие доводочные станки для обработки цилиндрических поверхностей также обладают недостаточными возможностями увеличения производительности и точности обработки. Они, как правило, не применяются на операциях прецизионной (высокоточной) обработки, и финишные операции, которые следуют по технологии за операциями доводки на этих станках, производятся вручную, чем и обеспечивается герметичность сопрягаемых поверхностей.

Целью изобретения является повышение производительности и качества обработки, расширение технологических возможностей станка и обеспечение компактности конструкции.

Это достигается тем, что предлагаемый станок снабжен механизмом разведения деталей, регулируемым механизмом стабилизации ударного импульса, механизмом крепления патрона на стержнях и механизмом возврата патрона в исходное положение с системой управления возвратом, включающей золотник, электромагнит и связанный с ним электрической цепью конечный выключатель, при этом шпиндель установлен вертикально и в нем выполнена средняя полость, отделенная от двух торцовых полостей перегородками со сквозными отверстиями для штока, и в ней расположен механизм разведения деталей. В нижней торцовой полости шпинделя размещен регулируемый механизм стабилизации ударного импульса, и эта полость соединена с атмосферой. Причем механизм разведения деталей выполнен в виде поршня двустороннего действия, делящего среднюю полость на две рабочие полости, концентрично установленного в шпинделе и жестко закрепленного на штоке с возможностью осевого перемещения от штока, проходящего через все три полости шпинделя. Регулируемый механизм стабилизации ударного импульса включает регулировочную гайку, установленную на нижнем торце шпинделя, поршень-каркас, жестко закрепленный на штоке, и демпферные кольца, скрепленные с поршнем-каркасом и установленные на обеих его торцовых поверхностях и выполненные по диаметру поршня-каркаса, установленного с зазором по внутренней поверхности шпинделя на расстоянии от смежной с поршнем-каркасом перегородки, не меньшем осевого шагового размера поверхности обработки. Патрон установлен на стержнях с возможностью перемещения его вдоль стержней, и в нем размещен механизм крепления патрона на стержнях, выполненный в виде двух подпружиненных поршней одностороннего действия, расположенных в радиальных отверстиях патрона, оси которых пересекаются под прямым углом с осями стержней, и установленных в этих отверстиях с возможностью осевого перемещения по ним и контактирования со стержнями. Механизм возврата патрона в исходное положение включает диск-защелку, под которую на стержнях выполнены проточки, связанную в осевом направлении с патроном и подпружиненную относительно него в диаметральной плоскости, а также два исполнительных устройства со штоками, контактирующими с диском-защелкой, каждое из которых последовательно связано с элементами системы управления возвратом-золотником и электромагнитом, и установленных в одной диаметральной плоскости шпинделя. Механизм крепления патрона на стержнях и обе рабочие полости механизма разведения деталей связаны с секционным блоком управления через систему энергоносителя. Нижняя рабочая полость механизма разведения деталей сблокирована с подающей полостью шпинделя, а секции системы управления механизмом возврата сблокированы с полостью цангового зажима и выполнены как самостоятельные элементы системы управления, независимые от секционного блока управления.

На фиг.1 представлена конструкция станка с автоматическим циклом обработки цилиндрических поверхностей; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

В стационарном корпусе 1 станка размещен полый вертикальный шпиндель 2, установленный на подшипниках качения 3. В шпинделе 2 выполнены три цилиндрические полости 4, 5 и 6, образованные перегородками 7 и 8 со сквозными отверстиями для штока 9.

В верхней полости 4 шпинделя размещен механизм подачи и зажима детали 10, включающий поршень 11 двустороннего действия, который жестко связан через шток 9 с цангой 12 для крепления детали и подпружинен относительно трубы зажима 13, установленной в шпинделе 2 с возможностью осевого перемещения в нем по шпонке 14 и который делит полость 4 шпинделя на две рабочие полости: полость цангового зажима (между трубой зажима 13 и поршнем 11) и подающую полость (между поршнем 11 и перегородкой 7).

В средней полости 5 шпинделя размещен механизм разведения деталей 10 и 15, включающий поршень 16 двустороннего действия, жестко связанный со штоком 9, а в нижней полости 6 шпинделя регулируемый механизм стабилизации ударного импульса, включающий регулировочную гайку 17, установленную на нижнем торце шпинделя, поршень-каркас 18, жестко закрепленный на том же штоке 9, проходящем через все три полости шпинделя, и демпферные кольца 10, скрепленные с поршнем-каркасом и установленные на обеих его торцовых поверхностях и выполненные по диаметру поршня-каркаса, установленного с зазором δ по внутренней поверхности шпинделя на расстоянии h от смежной с поршнем-каркасом перегородки 8, при этом расстояние h не менее осевого шагового размера поверхности обработки (т. е. не менее экспериментально установленной величины относительного перемещения деталей при обеспечении единичного импульса.

Полости 4,5 и 6 шпинделя связаны с системой энергоносителя через систему управления 20; обе штоковые части полости 5 и подающая часть полости 4 связаны с системой энергоносителя через секционный блок 21 управления последовательностью переходов, а полость цангового зажима полости 4 связана с самостоятельным устройством 22 управления зажимом с системой 23 управления возвратом.

Нижняя полость 6 шпинделя связана с атмосферой и блок управления 21 снабжен энергоподводящим трубопроводом 24. На верхней торцовой поверхности корпуса закреплены упругие стержни 25, на которых установлен с возможностью осевого перемещения по ним патрон 26 с зажимным устройством 27. Патрон 26 удерживается на стержнях 25 с помощью механизма крепления патрона на стержнях, включающего подпружиненные поршни 28 одностороннего действия, установленные в радиальных отверстиях, выполненных в патроне 26 в его диаметральной плоскости, перпендикулярной осям стержней 25. Рабочая полость 29 патрона 26 связана через энергоподводящий трубопровод 24 с блоком управления 21.

Механизм возврата (МВ) патрона 26 в исходное положение включает диск-защелку 30, под которую на стержнях 25 выполнены проточки 31 и которая связана в осевом направлении с патроном 26 винтами 32, а в диаметральной плоскости диск-защелка подпружинена упругим элементом 33 относительно патрона 26 и имеет возможность однонаправленного перемещения в диаметральной плоскости патрона 26 благодаря эллипсовидным пазам 34 и 35, выполненным на диске-защелке в месте крепления винтов 32 и в месте контакта его со стержнями 25, а также два исполнительных устройства со штоками 36, контактирующими с диском-защелкой, связанных с устройством управления возвратом 23, содержащим золотник 37 и электромагнит 38.

Станок работает следующим образом. В исходном положении диск-защелка 30 входит в проточку 31 на стержнях 25. Деталь 15 крепят в зажимном устройстве 27 патрона 26, а деталь 10 устанавливают в раскрытую цангу 12. Отведением диска-защелки 30 в радиальном направлении (автоматически или вручную) обеспечивают скольжения вниз патрона 26 по стержням 25 до момента соударения деталей 10 и 15. Одновременно с отведением диска-защелки 30 обеспечивается подачи энергоносителя через устройство управления зажимом 22 в верхнюю часть полости 4 (полость цангового зажима). Это обеспечивается, например, снятием нагрузки с подпружиненного штока золотника устройства 22, что вызывает перемещение штока под действием пружины. При этом труба зажима 13 и поршень 11 разнонаправленно расходятся и происходит зажим детали 10 в цанге 12.

В этот момент подающая часть полости 4 и нижняя штоковая часть полости 5 через блок управления 21 связаны с атмосферой. Ударное действие детали 15 на деталь 10 передается с цанги 12 на шток 9 и затем на гайку 17, на которой ударный импульс гасится одним из демпферных колец 19, после чего блок 22 управления последовательностью переходов обеспечивает поступление энергоносителя в подающую часть полости 4 и в нижнюю штоковую часть полости 5 шпинделя. При этом верхняя штоковая часть полости 5 связана с атмосферой.

В результате происходит перемещение штока 9 вверх вместе с поршнями 11 и 16, деталями 10 и 15 и патроном 26. Поскольку подающая часть полости 4 и нижняя часть полости 5 сблокированы, т.е. соединяются одновременно с системой энергоносителя через блок 21 управления, то подъемная сила, необходимая для перемещения вверх патрона 26, увеличивается вдвое. Это перемещение ограничивается высотой h, отрегулированной с помощью гайки 17.

В момент контакта верхнего демпферного кольца 19 с перегородкой 8 шток 9 останавливается и соответственно останавливается перемещаемый вместе с деталью 15 патрон 26. Затем блок 21 управления обеспечивает поступление энергоносителя в полость 29 патрона 26 и происходит крепление его на стержнях 25. При этом положение патрона 26 на стержнях 25 может быть значительно ниже исходного и зависит от назначенной величины h.

Для обеспечения нового ударного импульса детали 10 и 15 разводят путем подачи энергоносителя через блок 21 управления в верхнюю штоковую часть полости 5, при этом подающая часть полости 4 связана с атмосферой. Вместе со штоком 9 в крайнее нижнее положение отводится поршень-каркас 18 с демпферными кольцами 19. Свободному перемещению поршня-каркаса 18 в полости 6 способствует постоянное соединение этой полости с атмосферой. Затем полость 29 патрона 26 посредством блока 21 управления соединяется с атмосферой, поршни 28 упруго расходятся, обеспечивая свободное падение патрона 26 по стержням 25 до соударения деталей 10 и 15.

Повторение ударных импульсов, запрограммированное конструкцией блока 21 управления, продолжается до момента полной "пробивки" деталью 15 детали 10, после чего патрон 26 нажимает на шток конечного выключателя (КВ), положение которого предварительно отрегулировано соответственно длине обрабатываемой поверхности, и через электрическую цепь подается команда устройству управления зажимом и устройству управления механизмом возврата. При этом верхняя штоковая часть полости 4 (полость цангового зажима) соединяется с атмосферой, а электромагнит 38, притягивая шток золотника 37, соединяет бесштоковую часть исполнительного устройства МВ с энергосистемой, а штоковую с атмосферой, обеспечивая перемещение поршня 36 вверх, и диск-защелка 30 вместе с патроном 26 возвращается поршнем 36 в исходное положение, т.е. в положение, при котором диск-защелка входит в проточку 31 на стержнях 25. Далее цикл повторяется вновь. При отключенном электромагните 38 шток 36 занимает свое исходное положение.

В том случае, если припуск на деталях 10 и 15 назначен неверно или недостаточно тщательно был произведен контроль формы притираемых деталей и это обнаружилось при обработке, возникает необходимость разведения деталей 10 и 15 в процессе обработки. Для этого нажимают рукой на конечный выключатель КВ. При этом цанга 12 разжимается, освобождая деталь 10, а патрон 26 вместе с деталью 15 отводится в исходное положение, освобождая зону удаления деталей 10 и 15. После смены деталей 10 и 15 или одной из них отведением диска-защелки 30 начинают новый цикл обработки.

Таким образом, выполнение трехполостного вертикального шпинделя, в полостях которого расположены механизм разведения деталей и механизм стабилизации ударного импульса, позволяет обеспечить соответственно многократное разведение деталей в процессе обработки, что обеспечивает реализацию одного из необходимых технологических переходов операции ударной доводки, а также постоянную величину кинетической энергии удара соответственно назначенному припуску на обработку. Последнее достигается отведением патрона с деталью на заданную величину h на каждом технологическом переходе разведения деталей. При этом величина кинетической энергии удара регулируется гайкой механизма стабилизации импульса.

При расчете конструктивных характеристик станка-массы патрона m и величины хода поршня механизма стабилизации ударного импульса h с целью обеспечения наивысшей производительности и одновременно точности заданного сопряжения должны быть выполнены следующие условия: назначение минимального припуска, соответствующего заданному сопряжению Δ; обеспечение оптимальной величины удельной энергии удара W.

Минимальный припуск обеспечивает минимальную долю тепловой энергии в общем значении энергии удара W. Поскольку энергетический баланс в этом случае определяется соотношением: W W_дисл W_δ+ S + W_тепл, (1) где W_δ общее значение кинетической и потенциальной энергии балки; S энергия образования новой поверхности; W_тепл тепловая энергия; W_дисл энергия дислоцирования, облегчающая процесс разрушения из-за каталитического действия смазки, то снижение тепловой энергии обеспечивает наиболее рациональное перераспределение энергии удара, т.е. большая часть энергии удара W приходится на сумму (W_δ+ S), т.е. на непосредственное разрушение поверхности.

Кроме того, в связи с уменьшением тепловой энергии при уменьшении припуска Δобеспечиваются более плотные соединения, что важно при высоких требованиях к герметичности деталей. Снижение припуска во многих случаях позволяет также рационально построить техпроцесс, используя для снятия основной части припуска технологические операции, более производительные чем доводка.

Минимальное значение припуска Δ_мин во избежание заклинивания деталей при обработке назначается из условия отсутствия заклинивания. Это условие приближенно может быть выражено соотношением напряжений: σ рабочего напряжения в контакте деталей по фаскам на торцовых поверхностях и σ_S предела текучести материала детали: σ ≅σ_S, σ , где Р действующая нагрузка на притир, при условии свободного падения патрона Р=mg, где g ускорение свободного падения; α направление фаски притира (угол фаски с горизонталью);
d диаметр отверстия втулки;
δ ширина фаски.

Оптимальное значение удельной энергии удара устанавливается экспериментально или определяется теоретически из уравнения (I). При повышении удельной энергии удара изменение производительности происходит скачком. При использовании значения удельной энергии удара W3 ˙10⁷эрг/см² при обработке деталей форсунки дизельного двигателя из стали ШX15 производительность может быть увеличена в 5-10 раз в сравнении с ручной притиркой. Поскольку кинетическая энергия удара W_кин=W˙ А где А площадь взаимодействия деталей при ударной обработке, V скорость падения патрона: V , то при особых требованиях к герметичности, когда необходимо снизить массу патрона m, значение удельной энергии удара может быть сохранено оптимальным за счет увеличения скорости V путем изменения величины h. При этом стабильное значение импульса в процессе всей обработки обеспечивается благодаря периодическому разведению деталей на величину h независимо от высоты "пробивки" (относительного положения деталей в момент очередного ударного импульса).

При обработке на предлагаемом станке деталей с большой величиной диаметра d с увеличением площади взаимодействия деталей по фаске А необходимо обеспечить увеличение W_кин, что реально осуществимо путем увеличения массы патрона m. При этом возникает необходимость увеличения подъемной силы на поршни механизмов подачи и зажима и разведения деталей. На станке такая возможность обеспечена блокировкой нижней рабочей полости механизма разведения деталей с подающей полостью шпинделя. Увеличение диапазона обрабатываемых отверстий расширяет технологические возможности станка.

Самостоятельное от блока управления выполнение устройства управления возвратом и устройства зажима цанги позволяет, независимо от протекания процесса обработки, обеспечить смену деталей в любой момент обработки при гарантированной фиксации патрона, соединение которого с фиксатором-диском-защелкой, обеспечивающее упругое перемещение ее относительно патрона в диаметральной плоскости, позволяет обеспечить расфиксацию, в том числе вручную, при работе станка в автоматической линии. Это расширяет технологические возможности блока управления, в функции которого остается только управление зажимом патрона на стержнях, подачей и разведением деталей. При этом вращающаяся часть блока управления при съеме деталей не останавливается, что не влияет на вспомогательное время обработки.

Система управления цанговым зажимом может быть выполнена с собственным золотником и электромагнитом, а при работе станка в отлаженной автоматической линии эта система может быть сблокирована с системой управления возвратом, т.е. золотник и электромагнит выполнены общими.

Выполнение поршней механизмов, расположенных в шпинделе станка, на едином штоке делает конструкцию компактной и монолитной. Последнее особенно важно при ударном взаимодействии деталей, так как жесткость конструкции в данном случае определяет колебание всей системы.

Формула изобретения

СТАНОК ДЛЯ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, содержащий установленный вертикально в корпусе шпиндель с двумя полостями в торцах, а также установленный на двух стержнях патрон с механизмом крепления инструмента, при этом в верхней полости шпинделя расположен механизм подачи и зажима детали, включающий соединенные со штоком цангу и поршень двустороннего действия, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и качества обработки, станок снабжен механизмом закрепления патрона, выполненным в виде двух подпружиненных поршней одностороннего действия, расположенных в выполненных в патроне радиальных отверстиях с возможностью контактирования со стержнями, и механизмом возврата патрона в исходное положение, выполненным в виде плоского элемента с выступами, установленного с возможностью перемещения по стержням и с возможностью взаимодействия выступами со штоками дополнительно введенных цилиндров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2