Способ совмещенной токарно-абразивно-алмазной обработки

 

Изобретение относится к области металлообработки, точению и растачиванию заготовок из вязких труднообрабатываемых материалов и сплавов. Способ для повышения производительности и повышения качества обработанной поверхности включает вращение заготовок и одновременное продольное перемещение ротационного комбинированного резца, состоящего из державки и режущего элемента, имеющего режущую кромку по всей окружности, верхнее и нижнее основания и боковую поверхность в форме цилиндрической поверхности и абразивно-алмазную часть, расположенную на его задней поверхности по образующей указанной цилиндрической поверхности, и установленного в державке на оси с возможностью вращения. В способе может использоваться режущий элемент, предназначенный для установки с большим отрицательным кинематическим передним углом γ, равным 50-60^o. При этом может использоваться ротационный комбинированный резец, снабженный двумя коническими роликовыми подшипниками, предназначенными для установки на оси в сборе с режущим элементом. При этом последний выполнен в виде их наружного кольца и имеет в отверстии специально спрофилированную поверхность в виде двух усеченных прямых конусов, сопрягаемых друг с другом меньшими основаниями. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области металлообработки комбинированным инструментом, совмещающим токарную и абразивно-алмазную обработку, и может быть использовано, главным образом, при точении и растачивании заготовок из труднообрабатываемых вязких материалов и сплавов.

Задача изобретения - повышение производительности и улучшение параметров качества, снижение высоты микронеровностей, повышение износостойкости и твердости обработанной поверхности.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа совмещенной токарно-абразивно-алмазной обработки заготовок при их точении и растачивании, включающей вращение заготовок и одновременное продольное перемещение ротационного комбинированного резца, состоящего из державки и режущего элемента, имеющего режущую кромку по всей окружности, верхнее и нижнее основания, боковую поверхность в форме цилиндрической поверхности и абразивно-алмазную часть, расположенную на его задней поверхности по образующей указанной цилиндрической поверхности, и установленного в державке на оси с возможностью вращения.

При этом используют режущий элемент, предназначенный для установки с большим отрицательным кинематическим передним углом γ, равным 50^o...60^o.

Кроме того, используют ротационный комбинированный резец, снабженный двумя коническими роликовыми подшипниками, предназначенными для установки на оси в сборе с режущим элементом, при этом последний выполнен в виде их наружного кольца и имеет в отверстии специально спрофилированную поверхность в виде двух усеченных прямых конусов, сопрягаемых друг с другом меньшими основаниями.

На фиг. 1 изображен предлагаемый резец, частичный продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема обработки цилиндрической поверхности предлагаемым резцом, вид спереди; на фиг.4 - вид В на фиг.3; на фиг. 5 - траектория движения инструмента по цилиндрической поверхности при совмещенной токарно-абразивно-алмазной обработке; на фиг. 6 - сечение Г-Г на фиг. 3; на фиг.7 - второй вариант режущего элемента, вид спереди.

Условные обозначения, принятые на чертежах: Д_г - главное движение резания; Д_и - вращательное движение инструмента; Д_s - движение продольной подачи; R, R_p - соответственно, радиусы детали и инструмента; λ - угол наклона режущей кромки инструмента; ϕ¹ - угол наклона задней поверхности инструмента; β - угол подъема винтовой линии траектории точки режущей кромки; t - глубина резания.

Предлагаемый способ совмещенной токарно-абразивно-алмазной обработки, используемый при точении и растачивании заготовок, при котором осуществляют вращение последних и одновременное продольное перемещение резца, заключается в следующем.

В качества резца используется ротационный комбинированный резец, состоящий из державки 1, которая имеет корпус с режущим элементом и крепежную часть, устанавливаемую в резцедержатель станка (не показан). В корпусе державки 1 защищенный крышками 2 установлен режущий элемент 3 с возможностью вращения на оси 4.

Режущий элемент 3 устанавливается на оси 4 с помощью двух конических роликовых подшипников 5, которые защищены от воздействия эмульсии и других внешних факторов крышками 2. Регулировка зазоров и натяга подшипников осуществляется гайкой 6, навернутой на ось 4 и стопорящейся стопорным винтом 7.

Кроме того, установка режущего элемента 3 на оси 4 осуществляется в сборе с двумя коническими роликовыми подшипниками 5, роль наружных колец последних играет специально спрофилированная поверхность отверстия режущего элемента 3, выполненная в виде двух усеченных прямых конусов, сопрягаемых друг с другом меньшими основаниями.

В корпусе державки 1 установлена войлочная прокладка 8, контактирующая с режущим элементом 3, полирующая и защищающая его от попадания стружки в процессе обработки.

Крепежная часть державки 1 изготовлена таким образом, что обеспечивает установку ротационного комбинированного резца с большим (γ=50^o...60^o) отрицательным кинематическим передним углом резания γ.

Режущий элемент 3 установлен в державке 1 на оси 4 с возможностью вращения и содержит верхнее аа¹ и нижнее бб¹ основания и боковую поверхность, выполненную в форме цилиндра, при этом резец имеет режущую кромку по всей окружности и абразивно-алмазную часть 9 - образующую цилиндра, являющуюся задней поверхностью инструмента.

В центральной части режущего элемента 3 выполнена ступица, высота которой позволяет расположить в отверстии подшипники 5.

Ротационный комбинированный резец имеет форму цилиндрического резца, является самовращающимся и имеет режущую кромку по всей окружности и абразивно-алмазную часть - образующую цилиндра, являющуюся задней поверхностью инструмента.

Анализ различных токарно-отделочных методов обработки показал, что комбинированные инструменты, основанные на соединении резания и абразивно-алмазной обработки или поверхностно-пластическим деформированием, являются наиболее эффективными для финишной обработки цилиндрических поверхностей. Такие методы обычно основаны на дискретном соединении призматического резца и абразивных кругов или цилиндрических обкатывающих роликов. Вследствие такого искусственного сочетания лезвийного и абразивно-алмазного или деформирующих элементов, работающих по различным кинематическим схемам, основанных на трении скольжения, комбинированным инструментам присущи такие недостатки, как сложность изготовления таких устройств, высокие требования к взаимосвязанной настройке рабочих элементов, значительные различия в стойкости режущих и абразивно-алмазных или деформирующих элементов и, как следствие, повышенная погрешность обработки и др.

В предлагаемом способе обработки комбинированным инструментом перспективно использование в качестве лезвийного элемента самовращающегося ротационного резца, который имеет ряд особенностей, определяющих его преимущество перед призматическим резцом - более высокую размерную стойкость, приближающуюся к размерной стойкости абразивно-алмазных кругов при одинаковых режимах обработки. Так как кинематическая схема работы ротационного резца и абразивно-алмазного круга идентичны, то их можно объединить в один рабочий элемент, который будет совмещать в себе особенности, присущие как лезвийному (режущая кромка на торцевой поверхности), так и абразивно-алмазному инструменту. При этом параметры качества обработанной поверхности будут близки к параметрам, получаемым при отделочной абразивно-алмазной обработке, с упрочнением поверхностного слоя.

Отличительной особенностью предлагаемого способа совмещенной обработки ротационным комбинированным резцом от известных является установка инструмента с большим отрицательным кинематическим передним углом γ = λ≈60°, что приводит к значительному увеличению действующих сил и позволяет получить дополнительное упрочнение поверхности, а также создать микрорельеф без острых "пикообразных" выступов и впадин в поверхностном слое обработанной детали.

Инструмент, имеющий форму цилиндрического ротационного резца, срезает удаляемый припуск режущей кромкой, реализующей процесс упрочнения, после чего поверхность детали контактирует с задней поверхностью инструмента, представляющей собой абразивно-алмазный круг, реализующий процесс отделочной обработки. За счет самовращения инструмента трение скольжения заменяется трением качения, вследствие чего становится возможным процесс обкатывания детали задней абразивно-алмазной поверхностью инструмента.

Как видно из схемы обработки, представленной на фиг.3, режущая кромка инструмента наклонена к оси обрабатываемой детали на угол γ = λ≈60°. Это обеспечивает процесс резания с отрицательным передним углом γ = λ. В результате наклона инструмента на угол λ контакт детали и задней поверхности инструмента происходит не по образующей цилиндра, а по кривой, принадлежащей боковой поверхности цилиндра. Наклон оси инструмента к оси Х в плоскости XY на угол ϕ¹ приводит к наклону касательной к этой кривой на тот же угол, что позволяет регулировать площадь контакта и глубину абразивно-алмазной обработки, с которой происходит обкатывание поверхности детали задней поверхностью инструмента.

Траектория отдельной точки режущей кромки, показанная на фиг.5, представляет собой кривую с периодом 2π типа винтовой линии с углом подъема β (кривая 1). По винтовой линии с тем же углом подъема β, но с некоторым сдвигом Δх относительно траектории точки, принадлежащей режущей кромке, будет перемещаться пятно, являющееся областью контакта задней поверхности инструмента с обрабатываемой деталью (лента 2). В результате этого последовательно образуются единичные поверхности, подвергнутые обработке резанием и абразивно-алмазной обработке. При наличии движения подачи инструмента Д_s образуется семейство таких единичных поверхностей, где каждая последующая смещена относительно предыдущей, образующее цилиндрическую поверхность. Таким образом, одним инструментом реализуются два различных метода обработки - лезвийное и абразивно-алмазное резание.

На величину площади пятна контакта по передней поверхности инструмента оказывают влияние глубины резания t, подача S_o и радиус инструмента R_p.

Основное влияние на величину площади пятна контакта по задней поверхности оказывают размеры и геометрические параметры режущей части инструмента - угол наклона режущей кромки λ и вспомогательный угол в плане ϕ¹. Достичь максимального эффекта отделочной абразивно-алмазной обработки можно путем обеспечения контакта обрабатываемой поверхности со всей шириной абразивно-алмазной части, которая обеспечивается специальным профилированием задней абразивно-алмазной поверхности резца (фиг.6). Это может быть поверхность, выполненная в форме однополостного гиперболоида вращения (фиг.7). Прямолинейная образующая гиперболоида be совпадает с образующей цилиндрической обрабатываемой поверхности детали, при этом угол наклона прямолинейной образующей гиперболоида боковой поверхности к его верхнему основанию с режущей кромкой равен λ.

Гиперболический ротационный резец обеспечивает плавность работы, снижение вибраций и повышение качества обработанной поверхности.

Рассмотрим условия абразивно-алмазной обработки. Вращательное движение Д_и инструмент получает фрикционным путем за счет обкатывания с обрабатываемой деталью. Ось вращения инструмента развернута по отношению к оси вращения детали, т. е. они перекрещиваются под углом λ и скорость детали V_Дг раскладывается на две составляющие: окружную скорость
V_ок = V_Дг/sinλ,
приводящую во вращение резец, и осевую скорость
V_ос = V_Дгcosλ
(фиг. 3). Действительная скорость вращения резца V_Ди меньше окружной скорости V_ок из-за проскальзывания. Разность этих скоростей определяет скорость абразивно-алмазной обработки
V_e=V_ок-V_ди.

Осевая скорость V_oc суммируется со скоростью продольного движения V_Дs. В результате получается обработанная поверхность с направлением траекторий абразивно-алмазных зерен под углом λ к оси вращения детали (фиг.5). Такую обработку можно отнести согласно [3] к шлифохонингованию, особенностью которого является прерывистый контакт траектории вследствие чередования находящихся в контакте с деталью зерен. Благодаря локальной зоне контакта и смене режущих зерен абразивно-алмазной части резца улучшается тепловой баланс инструмента, повышается его стойкость и уменьшается засаливаемость. Свободный подвод смазочно-охлаждающей жидкости в зону обработки также повышает производительность токарно-шлифохонинговальной обработки.

Пример. Проведены исследования способа совмещенной обработки самовращающимся ротационным резцом шейки вала диаметром заготовки 66 мм до диаметра готовой детали 62 мм на токарно-винторезном станке мод. 16К20. Длина обрабатываемой поверхности 280 мм, длина вала 430 мм. Заготовка - прокат круглый по ГОСТ 2590-71 из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5949-75 с пределом прочности 520 МН/м². Способ крепления заготовки - в центрах и поводковом патроне. Технологическая система станок-инструмент-заготовка недостаточно жесткая. Обработанная поверхность удовлетворяла требованиям 7 квалитета точности. Шероховатость поверхности - Ra 0,63 мкм. Материал пластинки - твердый сплав Т5К10, режущий элемент содержит верхнее и нижнее основания и боковую поверхность, выполненную в форме однополостного гиперболоида вращения максимальным диаметром 36 мм. Нижнее и верхнее основания перпендикулярны оси вращения режущего элемента.

В центральной части режущего элемента выполнена ступица диаметром 24 мм высотой 12 мм и отверстие под подшипники. На ступицу напаяно алмазно-металлическое кольцо размерами ⊘36•⊘24•5 мм, имеющее характеристику: зернистость -125/100, марка алмазов - AC - 6. После пайки для более точного расположения алмазно-металлическое кольцо прирабатывается в сборе с резцом. Приработка производится притирочной пастой на токарном станке по бракованной детали. Притирочной пастой является абразивный порошок из зеленого карбида кремния зернистостью 5, смешанный с тавотом в пропорции 1:2. Пасту наносят кисточкой на алмазно-металлическое кольцо. Приработка алмазно-металлического кольца производится до тех пор, пока площадь контакта не достигнет 60-70%. Продолжительность притирки - 8...10 мин.

Вспомогательный угол в плане ϕ¹ = 10°, λ = 60°.
Продольная подача - Д_s=0,5 мм/об; скорость резания - Д_г=155,55 м/мин (~ 2,6 м/с); частота вращения шпинделя - 750 мин^-1 Машинное время на обработку - 0,8 мин.

Предложенный способ в сравнении с действующими техпроцессами дает сокращение суммарного времени на 15...25%; низкие значения параметра шероховатости Ra 0,63...0,32 мкм; благоприятную форму микрорельефа без острых выступов и впадин; повышенную микротвердость поверхностного слоя обработанной детали до 4000 МПа, степень упрочнения до 20%, глубина упрочненного слоя до 0,8... 1,0 мм.

Способ позволяет исключить из действующих процессов две операции - чистовое точение и предварительное шлифование, уменьшить количество задействованных на производстве рабочих, площадей и оборудования.

Рассматриваемый совмещенный способ и инструмент, реализующий его, позволяют повысить эффективность обработки за счет достижения эффекта отделки одновременно с процессом резания и упрочнения, поэтому применение данного способа с помощью ротационного комбинированного резца для обработки цилиндрических поверхностей позволяет исключить из технологического процесса все остальные отделочные и упрочняющие операции и обеспечить заданное качество поверхностного слоя.

Для применения предложенного способа не требуется сложной оснастки и специального оборудования, так как разработанная конструкция резца позволяет устанавливать его в резцедержатель универсального токарного станка.

Использование процесса совмещенной токарно-абрзивно-алмазной упрочняющей обработки является одним из решений проблемы формообразования цилиндрических поверхностей с одновременным получением поверхностного слоя заданного качества.

Формула изобретения

1. Способ совмещенной токарно-абразивно-алмазной обработки заготовок при их точении и растачивании, включающий вращение заготовок и одновременное продольное перемещение ротационного комбинированного резца, состоящего из державки и режущего элемента, имеющего режущую кромку по всей окружности, верхнее и нижнее основания и боковую поверхность в форме цилиндрической поверхности и абразивно-алмазную часть, расположенную на его задней поверхности по образующей указанной цилиндрической поверхности, и установленного в державке на оси с возможностью вращения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют режущий элемент, предназначенный для установки с большим отрицательным кинематическим передним углом γ, равным 50-60^o.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что используют ротационный комбинированный резец, снабженный двумя коническими роликовыми подшипниками, предназначенными для установки на оси в сборе с режущим элементом, при этом последний выполнен в виде их наружного кольца и имеет в отверстии специально спрофилированную поверхность в виде двух усеченных прямых конусов, сопрягаемых друг с другом меньшими основаниями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7