Full Text

Одним из важнейших условий создания новых, более совершенных конструкций машин и приборов является повышение точности и качества обработки поверхностей деталей. Соблюдение жестких допусков на размер и форму деталей, уменьшение шероховатости рабочих поверхностей и удаление дефектного слоя металла - всё это способствует увеличению износостойкости и срока службы деталей, повышению усталостной прочности и антикоррозионной стойкости, а также сохранению требуемых посадок в сопряжениях. Одним из способов повышения точности и качества деталей является процесс финишной абразивной доводки прецизионных поверхностей абразивными и алмазными порошками, пастами и суспензиями на прецизионных станках. Особенность этого процесса состоит в том, что абразивные зерна (а точнее смесь зерен с компонентами пасты или смазывающе-охлаждающей жидкости) под воздействием инструмента (притир) осуществляют съем металла. Притир не только сообщает зернам необходимые движения и усилия, но и обеспечивает требуемую точность обработки поверхности. К числу общих признаков, характеризующих процесс абразивной доводки, относятся: 1) одновременное воздействие на поверхность детали большого числа режущих зерен, протекающее при относительно низких скоростях и давлениях; 2) движение режущих зерен по сложным траекториям; 3) незначительная роль тепловых явлений и отсутствие связанных с ними структурных изменений в поверхностном слое металла [1]. Процесс абразивной доводки используют для получения высокой точности геометрической формы (отклонения от плоскости, плоскопараллельности, цилиндричности составляют от 2-3 до 0,5-0,05 мкм) и малой шероховатости обработанной поверхности деталей (Ra = = 0,16…0,004 мкм). Особенно целесообразно применение доводки при обработке тонких и легко деформируемых деталей, а также в случаях, когда необходимо сохранить специальные свойства исходного материала, изменяющиеся при значительных тепловых и силовых воздействиях, или удалить дефектный слой металла, образовавшийся при предшествующей обработке, в частности после шлифования. Наконец, методом взаимной доводки (притирки) прирабатываются друг к другу трущиеся и контактирующие поверхности деталей, работающих в паре, что обеспечивает высокую плотность прилегания и увеличение (до 95 %) фактической поверхности контакта [2, 3]. Установлено, что повышению качества и производительности доводки способствует наличие сложного рабочего движения, складывающегося из нескольких движений инструмента (притира) и обрабатываемой детали. При доводке такой характер кинематики оказывает благоприятное влияние на эффективность процесса по следующим причинам: 1) достигается равномерный износ рабочей поверхности притира, что повышает точность размеров и формы обрабатываемых деталей; 2) абразивные зерна получают возможность работать большим числом своих вершин и граней, что приводит к повышению их режущей способности и стойкости; 3) происходит выравнивание микрорельефа поверхности за счет срезания зернами выступов неровностей и заполнения впадин оттесненным металлом; 4) на обрабатываемую поверхность наносится плотная равномерная сетка следов, что способствует увеличению действительной опорной поверхности детали, создает условия для лучшего удержания смазки [1]. По виду кинематической связи рабочих звеньев исполнительного механизма станки разделяют на два типа: станки с жесткой кинематической связью и станки с фрикционной связью между заготовками и инструментом (притиром). По кинематическому признаку большинство станков можно разделить на две группы: станки с колебательным рабочим движением и станки с вращательным движением притира [4, 5]. Станки с вращающимися притирами Станки с вращающимися притирами широко применяются в машиностроении. Для плоской доводки, т.е. одной плоскости детали, используют станки с одним притиром - однодисковые станки. Лучшими представителями этой группы из зарубежных станков являются станки Lapmaster (Великобритания), Peter Wolters (Германия) [1, 2, 6]; а из отечественных - станки моделей 3803, 3804П, 3806, 3807 и др. На рис. 1 представлен станок фирмы Peter Wolters. В настоящее время наиболее совершенными являются станки с правильными кольцами. Правильные кольца предназначены для выполнения одновременно двух взаимосвязанных эксплуатационных задач: 1) осуществление правки рабочей поверхности притира в процессе доводки заготовок или принудительной правки поверхности притира вне цикла обработки; 2) выполнение функции сепаратора при свободной установке заготовки или ограничительного фрикционного кольца для размещения внутри него свободно установленного сепаратора с гнездами под заготовки. Правильные кольца имеют узкий торцовый поясок с прорезями (наклонными, прямолинейными или криволинейными канавками), взаимодействие которого с поверхностью притира через абразивную прослойку вызывает изнашивание поверхности притира, профиль которого зависит от положения кольца относительно центра притира. Правильные кольца могут иметь как фрикционную связь с рабочей поверхностью притира, так и жесткую кинематическую связь путем сообщения им принудительного движения. На рис. 2 представлены однодисковые плоскодоводочные станки с правильными кольцами с фрикционной (а) и с жесткой кинематической (б) связями. а б Рис. 2. Кинематические схемы однодисковых плоскодоводочных станков с правильными кольцами с фрикционной (а) и с жесткой кинематической (б) связями между звеньями исполнительного механизма - правильным кольцом, заготовками и притиром Сепаратор 2 (рис. 2, а) с заготовками 5 и правильным кольцом 1 и грузом 7 вращается вокруг оси В с угловой скоростью w2 под действием фрикционных сил по торцам правильного кольца и обрабатываемых поверхностей заготовок 5, взаимодействующих через абразивную прослойку с рабочей поверхностью притира, вращающегося с угловой скоростью w4. Встречное или попутное принудительное вращение правильных колец (рис. 2, б) создается с помощью жесткой кинематической связи правильного кольца 2 с центральным колесом 1 или фрикционной связи от центрального фрикциона, находящегося во внешнем зацеплении, с правильным кольцом или непосредственно с сепаратором с заготовками. В станках с фрикционной связью звеньев исполнительного механизма расстояние ОВ между осями притира 4 и правильного кольца 1 с сепаратором 2 и заготовками 5 изменяют относительно оси притира регулированием положения боковых опорных роликов 3. Ролики 3, установленные в вилке 6, совершают вместе с кронштейном качательное движение вокруг неподвижной оси. По такому способу регулирования положения правильных колец работают станки моделей 3803, 3804П, 3808, СППД-2, С-15 и др., а из зарубежных станков можно отметить Lapmaster 12-15-20, Peter Wolters FL3, FL5, FL8, FL12, шлифовально-полировальные станки фирмы Remet (Италия), Waldrich Coburg [4, 6-9]. Нагружение заготовок на этих станках осуществляется накладными грузами или же дополнительно прикладываемой силой от диска прижимного устройства механического, пневматического, гидравлического или электромагнитного типа. На рис. 3 представлен общий вид притирочно-полировального станка Lapmaster модели LM 15, в котором заготовки нагружаются накладными грузами. Для плоскопараллельной доводки деталей применяются двухдисковые станки, снабженные двумя притирами: верхним и нижним. Такие станки считаются универсальными, так как на них производится обработка как плоских, так и цилиндрических деталей. На рис. 3 представлена кинематическая схема универсально-доводочного станка модели 3816 (Россия). При суммировании вращений верхнего 2 и нижнего 1 доводочных дисков от шпинделей 5 и 8 образуется рабочее движение. При вращении эксцентрика 7 от привода шпинделя нижнего притира через муфту 9 сепаратор с деталями, насаженный на палец 3, совершает колебательное движение. Регулирование скорости вращения притиров осуществляется с помощью сменных шкивов. Рабочее давление, а также подъем и опускание верхнего притира осуществляются с помощью гидроцилиндров 4 и 6. Верхний притир 2 имеет возможность самоустанавливаться по деталям из-за шарнирного крепления. Детали расположены в окнах сепаратора и свободно лежат на поверхности нижнего притира. Притиры правятся с помощью правильных чугунных дисков, устанавливаемых в специальном сепараторе. Этот станок может работать с непрерывной подачей абразивной суспензии, для чего предусмотрены баки с мешалками и системой трубопроводов. Реле времени позволяет вести доводку с автоматическим циклом. По такой схеме построены отечественные станки моделей 3816, 3816П, 3Б814, 3814П, 3817, а из зарубежных станков Norton (США), Hahr & Kolb (Германия), Hamai (Япония) [1, 10-12]. У станков фирмы Peter Wolters (Германия) главной особенностью является устройство сепараторов, выполненных в виде шестерен 2 (рис. 4). Сепараторы-шестерни находятся в зацеплении со штифтовыми венцами наружного кольца 3 и внутреннего диска 5. При вращении диска 5 сепараторы с деталями совершают планетарное движение. Таким образом достигается нанесение на обрабатываемую поверхность сетки следов, а также более равномерный износ притиров 1 и 4. Станки с вращающимися притирами в силу простоты конструкции и универсальности получили более широкое распространение. Основными достоинствами данной кинематики является возможность обеспечения повышенных скоростей обработки при равномерном распределении абразивного материала. Важно отметить, что наличие вращения притиров отрицательно влияет на точность доводки из-за разных линейных скоростей деталей, находящихся на различном расстоянии от центра вращения притира, поэтому съем металла с деталей и износ притира в разных зонах неодинаковы, что приводит к значительным колебаниям размеров в партии одновременно обрабатываемых деталей. К недостаткам можно отнести неравномерность износа вследствие неравенства линейных скоростей и использование только 1/3 диаметра инструмента из-за нулевой скорости в центре притира. Также к недостаткам этих станков относятся ограниченность (внутренним диаметром правящих колец) размеров доводимых деталей и высокий расход абразивной пасты, суспензии на доводку самих правильных колец. Станки с колебательным движением притира Абразивная доводка плоских поверхностей может выполняться вибрационной притиркой, обеспечивающей высокий уровень механизации, даже в условиях единичного и мелкосерийного производства. Такие станки считаются наиболее универсальными, так как допускают обработку широкой номенклатуры деталей, разнообразных по форме и размерам [12]. На рис. 5 представлена схема вибрационной притирки. Обрабатываемую деталь 1 укладывают на притир 2, жестко соединенный со шпинделем станка, который может поворачиваться и перемещаться вдоль оси. Горизонтально расположенный притир удерживается от вертикальных перемещений вместе со шпинделем с помощью нескольких упругих стержней 3, расположенных под углом к горизонтальной плоскости между притиром и основанием станка 4. Рис. 5. Схема вибрационной притирки Под действием вибропривода и сил упругости стержней притир будет совершать крутильные колебания вокруг оси шпинделя и колебаться вдоль этой оси. В результате колебаний масса детали и ускорение неравномерного движения притира создают силу инерции Р, направленную перпендикулярно осям упругих стержней. В случае, когда горизонтальная составляющая силы инерции Рxy, параллельная плоскости притира, превысит силу трения, деталь начнет скользить по притиру. Если же вертикальная составляющая Рz силы инерции станет равной силе тяжести детали G, то она оторвется от поверхности притира. Качество и производительность вибрационной притирки будет выше при безотрывочном движений детали по притиру. Для вибрационной притирки плоских поверхностей применяют гамму вибрационных станков с круговым рабочим движением (ИДП-6, ВДП-4М и т.д.). Недостатком вибропритирочных станков является неравномерный износ рабочей поверхности притиров. Рабочую поверхность притира обычно правят кольцевыми притирами, установленными вместо обрабатываемых деталей [14]. К станкам с колебательным (поступательным) рабочим движением притира относятся плоскодоводочные станки модели «Растр», разработанные в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ, Россия). На рис. 6 показан общий вид станка модели «Растр 350». Отличительной особенностью станков является неповторяющаяся траектория рабочего движения притира в виде фигур Лиссажу различной сложности [15, 16]. Конструкция станков позволяет бесступенчато регулировать параметры траектории движения притира (инструмента) (рис. 7). Возможность целенаправленного выбора формы и плотности траектории рабочего движения инструмента позволяет формировать микрорельеф обработанной поверхности с оптимальными статистическими параметрами. При этом величина шероховатости по параметрам Ra и Rz может достигаться в нанометровом диапазоне [17]. Рис. 7. Траектория рабочего движения инструмента на станках «Растр» Cтанки серии «Растр» позволяют обрабатывать как одиночные детали, так и партии деталей в многоместных приспособлениях, а также осуществлять точную правку доводочных дисков. Из-за сложности сетки и неповторяемости линий, из которых состоит траектория инструмента, каждое режущее зерно всё время проходит по новому месту обрабатываемой поверхности и не оставляет на ней глубоких следов, благодаря чему уменьшается шероховатость поверхности. Многократное самопересечение траектории при непрерывной смене направления движения заставляет абразивные зерна работать всеми гранями своих вершин, что повышает режущую способность инструмента и производительность доводки. Растровая кинематика позволяет использовать всю площадь инструмента, а на станках с вращающимся притиром из-за нулевой скорости в центре инструмент используется лишь на 1/3 его диаметра, поэтому на станках с растровой кинематикой возможна обработка детали, соизмеримой с размером притира. К станкам серии «Растр» относятся плоскодоводочные станки модели «Растр 350» стационарного исполнения и «Растр 220» настольного исполнения [18]. В отличие от механизмов плоскодоводочных станков с вращающимся притиром механизмы этих станков позволяют бесступенчато регулировать параметры траектории движения инструмента в процессе доводки. Кинематическая схема станка «Растр 350» представлена на рис. 8. Планшайба 1, установленная на трех шариковых опорах 2, удерживается от поворота пантографом 3 и приводится в колебательное движение двумя взаимно перпендикулярными шатунами 4 от эксцентриковых валов 5. На одном из валов установлен вариатор скорости 6, позволяющий бесступенчато регулировать величину взаимной расстройки частот колебаний шатунов. Кроме того, с помощью фрикционных ступенчатых роликов 7 за счет дополнительного поворота противовесов 8 можно изменять эксцентриситет шатунных шеек 9 и плавно уменьшать амплитуды колебаний притира во время работы станка. Рис. 8. Кинематическая схема станка «Растр 350» Нагружающее устройство 19 установлено на поворотном кронштейне 12. В зависимости от высоты обрабатываемой детали ее положение регулируется винтом 11, а зажим на колонне производится дифференциальным винтом 10. В качестве силового элемента применена пружина 14 с регулируемым гайкой 15 усилием прижима. Центральный вал 17 посажен на подшипниках зафиксированной от поворота пиноли 13, нижняя часть которой образует зубчатый венец планетарного механизма. Сателлитом является надетое на кривошип вала 17 подвижное колесо 18, заканчивающееся шаровой опорой. Поворотом рукоятки 16 устройство опускается в рабочее положение. В конце хода шаровая опора стыкуется с гнездом кассеты и передает необходимую нагрузку на обрабатываемые детали. Вследствие того, что шаровая опора смещена относительно оси вращения вала 17, при движении притира силы абразивного трения деталей о притир создают крутящий момент, поворачивающий кассету с деталями или деталь в направлении, разрешенном муфтой свободного хода. Таким образом, кассета с деталями одновременно совершает вращательное движение вокруг двух осей - сателлита 18 и вала 17 [5], благодаря этому точки кассеты движутся по гипоциклоидам, вид которых определяется параметрами планетарного механизма и расстоянием b точки от центральной оси: где R и r - радиусы делительных окружностей зубчатого венца и сателлита; w - угловая частота вращения центрального вала; t - время; b - расстояние движущейся точки кассеты с деталями от центральной оси нагружающего устройства; С - величина смещения оси центрального вала нагружающего устройства от оси сателлита. Станок «Растр 350» используется в индивидуальном и серийном производстве, характеризующемся частой сменой небольших партий деталей и их широкой номенклатурой. Достигаемая на станке величина шероховатости доведенной поверхности Rа = 0,16…0,004 мкм в зависимости от зернистости применяемого абразива, а неплоскостность поверхности - 0,3-1 мкм в зависимости от размеров обрабатываемых деталей. В станке с поступательным рабочим движением скорости резания и пути трения всех точек притира одинаковы, что позволяет использовать всю его рабочую поверхность. Однако на этих станках трудно обеспечить равномерное распределение абразивного материала и исключить локальные выработки даже при полной загрузке рабочей поверхности притира обрабатываемыми деталями. По результатам экспериментальных и теоретических исследований кинематики плоскодоводочных станков можно сформулировать следующие основные требования к рабочему движению притира: 1) наличие неповторяющегося мультидвижения; 2) образование изотропной сетки криволинейной траектории; 3) равенство путей трения всех точек притираемой поверхности; 4) возможность регулирования параметров траектории рабочего движения. Преимущества вращательного и поступательного движения удачно реализуются в станках с циклоидальной траекторией рабочего движения, которая образуется путем суммирования круговых колебаний и медленного вращения притира. Однако в этих станках не представляется возможным целенаправленно регулировать параметры траектории, например плотность сетки следов обработки. Вместе с тем экспериментально установлено, что циклоидальная траектория рабочего движения по технологическим возможностям близка к растровой. В таблице приведены результаты экспериментов по влиянию вида траектории на величину шероховатости поверхности Ra и скорость съема материала v в относительных величинах. Значения Ra и v, полученные при растровой доводке, приняты за 1. Влияние вида траектории рабочего движения инструмента на величину шероховатости поверхности Ra и скорости съема материала v Показатели процесса доводки Вид траектории движения инструмента (притир) Линия Эллипс Окружность Циклоида Растр Ra 3 2,5 2 1,3 1 v 0,4 0,5 0,6 1,1 1 Свойства циклоидальных траекторий исследованы с помощью модели в среде MathCAD и экспериментально подтверждены на опытной установке для доводки плоскостей, позволяющей регулировать параметры циклоидальной траектории рабочего движения притира. На рис. 9 представлена схема доводки на опытной установке, где w - частота круговых колебаний притира; е - амплитуда круговых колебаний; nп - частота вращения притира; nд - частота вращения обрабатываемой детали; F - усилие прижима обрабатываемой детали. Рис. 9. Схема доводки Главным движением притира, осуществляющим съем металла с обрабатываемой детали, является поступательное движение по круговой траектории диаметром 2e с частотой ω. Дополнительно к этому поступательному движению притиру сообщается медленное вращательное движение с регулируемой частотой nп. При такой кинематике все точки притира перемещаются по циклоидальным траекториям практически с одинаковой скоростью, что положительно влияет на равномерность износа рабочей поверхности притира [19]. Кроме того, за счет свободного вращения детали или кассеты с деталями вокруг своей оси реализуется: во-первых, эффект правильного кольца, способствующий равномерному износу притира, во-вторых, эффект доводки по способу свободного притира, отличительной чертой которого являются высокие показатели по точности обработки и шероховатости поверхности. Такая кинематика при использовании соответствующих инструментов (притиров и абразивов) позволяет обеспечивать величину шероховатости обработанной поверхности также в нанометровом диапазоне. На основании анализа литературных данных и проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Абразивная доводка - сложный процесс, при котором имеют место как механические явления (микрорезание, пластическое деформирование и т.д.), так и химические явления (образование окисных пленок и адсорбционных слоев). 2. Доводкой по сравнению с другими методами окончательной обработки, можно получить высокую точность геометрической формы, размеров и малую шероховатость поверхности. 3. Среди рассмотренных плоскодоводочных станков имеются станки с жесткой кинематической связью и станки с фрикционной связью между заготовками и инструментом (притиром). Наиболее универсальными и распространенными плоскодоводочными станками являются станки с вращающимися притирами, но вследствие большого перепада скоростей вращения различных участков притира они не гарантируют стабильно высокого качества обработки. Также описаны станки с колебательным движением притира. 4. Представлены разработанные и изготовленные в ПНИПУ плоскодоводочные станки модели «Растр». Конструкция станков позволяет бесступенчато регулировать параметры траектории движения притира (инструмента). Cтанки серии «Растр» позволяют обрабатывать как одиночные детали, так и партии деталей в многоместных приспособлениях, а также осуществлять точную правку доводочных дисков. Из-за сложности сетки и неповторяемости линий, из которых состоит траектория инструмента, каждое режущее зерно всё время проходит по новому месту обрабатываемой поверхности и не оставляет на ней глубоких следов, благодаря чему уменьшается шероховатость поверхности и повышается точность геометрической формы обработанных поверхностей. 5. Приведены результаты практических экспериментов по влиянию вида траектории инструмента (притира) на величину шероховатости поверхности и скорость съема материала в относительных величинах.

About the authors

V. F Makarov

Perm National Research Polytechnic University

K. R Muratov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 55

PDF (Russian) - 52

Refbacks

• There are currently no refbacks.