Способ чистовой и упрочняющей обработки

СПОСОБ ЧИСТОВОЙ И УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ, при котором инструмент прижимают к обрабатываемой поверхности детали с определенным усилием, сообщают ему колебания с ультразвуковой частотой и подачу вдоль обрабатываемой поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения качества обработки за счет получения требуемой шероховатости обработанной поверхности, рабочая поверхность инструмента выполнена в виде круглого профиля бочки, размеры которой определяют по следующим формулам:


где r₂, r₁ радиусы рабочей поверхности соответственно в направлениях главного движения и подачи;
K коэффициент, учитывающий снижение шероховатости при обработке с применением ультразвуковых колебаний;
S величина подачи;
R _исх, R , R _инс параметры шероховатости соответственно исходной, полированной поверхности детали и рабочей поверхности инструмента;
HV твердость по Виккерсу.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием.
Цель изобретения повышение качества обработки за счет получения требуемой шероховатости обработанной поверхности.
На фиг. 1 представлена шероховатость исходной и полированной поверхностей; на фиг. 2 схема полирования предлагаемым способом; на фиг. 3 зависимость коэффициента снижения шероховатости от амплитуды колебаний инструмента; на фиг. 4 рабочий элемент инструмента; на фиг. 5 схема устройства для чистовой и упрочняющей обработки.
При обработке с полным сглаживанием исходной шероховатости R_{максисх} глубина внедрения h рабочей поверхности инструмента 1, исходя из геометрических соображений, равна 0,54 R_{макс исх}. При этом часть рабочей поверхности инструмента внедряется в исходную шероховатость ниже ее средней линии 2. Объем впадин микропрофиля заполняется материалом пластически деформированных выступов и формируется новый микропрофиль шероховатости. Наибольшая высота шероховатости обработанной поверхности в направлении главного движения V_в становится приблизительно равной наибольшей высоте шероховатости рабочей поверхности инструмента R_{максисх.}, а в направлении подачи V_n при обычном выглаживании наибольшая высота шероховатости равна
R_0макс R_{макс инс} + h₁, (1) где h₁ стрела сегмента круга, имеющего радиус, равный радиусу кривизны рабочей поверхности инструмента в направлении подачи r₁, при хорде, равной величине подачи S.
Из геометрической зависимости, стрела сегмента h₁ равна
h₁= (2)
Максимальная высота микронеровностей R_макс наиболее точно может быть определена по поперечным профилограммам. Однако это связано со значительными трудностями и является трудоемкой операцией, поэтому R_максвыражаем через другой параметр шероховатости R который может быть непосредственно измерен с помощью приборов, выпускаемых промышленностью. Приближенно выполняется следующая зависимость
R_макс K₁R_z, где К₁ 1,25 (3)
Учитывая то, что полированная или выглаженная поверхность имеет шероховатость R < 1,25 мкм, а согласно ГОСТу 2789-73 для этих значений R выполняется зависимость R_z 5R , принимаем для определения Rмакс следующую формулу:
R_макс 6,25 R (3)
Выражая R_макс через R и подставляя значение h₁ из (2) в (1) получим:
R = + R _инс (4)
Шероховатость поверхности, обработанной одним и тем же инструментом с одинаковыми режимами, при ультразвуковом безабразивном полировании значительно меньше, чем при обычном выглаживании. Однако она, оставаясь ниже чем при обычном выглаживании, варьирует в определенных пределах при изменении амплитуды колебаний рабочей поверхности инструмента Y. Зависимость R от при УЗБЦ имеет сложный характер, но для практических расчетов влияние Y на R можно учесть с помощью коэффициента снижения шероховатости К, который равен
K (5) где R - шероховатость поверхности при ультразвуковом безабразивном полировании (УЗБП).
Подставляя значение R _o из (5) в (4), определяем радиус поверхности инструмента в направлении подачи:
r₁= (6)
При постоянных значениях r₁ и величины исходной шероховатости R _исхвеличина радиуса r₂ зависит от применяемого усилия поджима инструмента. С увеличением r₂ потребное для полного сглаживания исходной шероховатости усилие поджима инструмента F увеличивается и наоборот.
Усилие F определяется по формуле:
F A_rHV, (7) где А_r фактическая площадь контакта инструмента и обрабатываемой поверхности.
Фактическую площадь контакта A_r в первом приближении можно найти по следующей формуле:
A_r= (3R _исх+25 KR ) (8) где r расчетный радиус инструмента.
Подставляя значение A_r из (8) в (7), получим
F (3R _исх+25 KR )HV (9)
Расчетный радиус r выражает через радиусы r₁, r₂
r (10)
Подставляя значение r из (10) в (9), находим формулу для определения радиуса рабочей поверхности инструмента r₂ в направлении главного движения:
r₂= (11)
Были проведены экспериментальные исследования с целью определения справедливости полученных формул (6) и (11) для определения размеров рабочей поверхности инструмента, а также для установления значений коэффициента снижения шероховатости. Для этого были изготовлены 9 инструментов, размеры которых приведены в табл. 1. В табл. 2 сведены усредненные минимальные значения шероховатости и коэффициента ее снижения после ультразвукового безабразивного полирования по сравнению с шероховатостью после обычного выглаживания, полученные в результате экспериментальных исследований образцов из стали 0,8 кг ВГ с исходной шероховатостью R _исх 2 мкм. Радиус рабочей поверхности инструмента r₂= 5 мм. Идентичные результаты получены и при обработке образцов из стали 11-М-ВГ-0,8 кп с исходной шероховатостью R _исх 1 и 3 мкм инструментами с r₂ 0,5 и 3 мм, а также образцов из стали 3 пс, латуни Л62, алюминия АМц, меди М2.
Исходя из экспериментальных данных (табл. 2), построена кривая зависимости коэффициента снижения шероховатости К от амплитуды колебаний инструмента Y (фиг. 3). Из этой зависимости видно, что среднее значение коэффициента К в начале растет до определенного предельного значения (в рассматриваемом случае до 2,11) с увеличением амплитуды колебаний рабочей поверхности инструмента Y, а при дальнейшем ее увеличении величина К уменьшается, т.е. зависимость К от Y имеет экстремальный характер. Пользуясь этим графиком, можно определить значение К при амплитудах колебаний в пределах 0 < Y < 1,5 мкм. При обычном выглаживании К 1,0.
Размеры инструмента А и Б (фиг. 4), выбирают, исходя из применяемой технологической оснастки.
Устройство для чистовой и упрочняющей обработки, на котором реализован предлагаемый способ состоит из поперечно-строгального станка, к ползуну которого крепится питающаяся от ультразвукового генератора (не показан) акустическая головка 3 с возможностью перемещения по вертикали по направляющим пневмоцилиндром 4.
Обработку осуществляют следующим образом.
Заготовку детали 5 устанавливают на столе 6 и прижимают инструментом 7, закрепленным на торце вертикального волновода изгибных колебаний 8. На лимбах поперечно-строгального станка устанавливают требуемое по технологическому процессу число двойных ходов ползуна в минуту и величину подачи, по приборам ультразвукового генератора устанавливают необходимый режим его работы. Включают поперечно строгальный станок и питание акустической головки, при этом происходит обработка детали в автоматическом режиме. На этой установке можно производить чистовую упрочняющую обработку и без ультразвуковых колебаний инструмента, для этого достаточно выключить ультразвуковой генератор, но при этом необходимо увеличить усилие прижима инструмента, что отрицательно сказывается на точность установки и повышается ее износ. Колебания инструмента Y с ультразвуковой частотой происходят по направлению Y; расстояния от кромок заготовки L и L₁ при контактировании с ней инструмента в начале обработки принимают равными припуску на последующие технологические операции, например, при последующей штамповке L и L1 берут равными 5-7 мм.
П р и м е р. Обрабатываем поверхность отражателя электрокамина типа ЭКУ-1, 0/220 "Каспий" из листовой стали 11-М-ВГ-0,8 кп ГОСТ 9045-80, толщиной 1,0 мм, твердость НV 937 МПа. Рабочая поверхность инструмента отполирована до R _инс= 0,025-0,020 мкм. Шероховатость исходной поверхности (заготовки) R _исх 2,0-1,6 мкм. Усилие поджима инструмента F 240 Н. Частота колебаний инструмента 22 кГц.
Для маложестких и тонкостенных деталей в расчетах принимали допускаемое усилие поджима инструмента, которое выдерживает деталь без нарушения жесткости. Диаметр вертикального волновода изгибных колебаний акустической системы d 14 мм. Требовалось определить размеры рабочей поверхности инструмента для получения заданной шероховатости обработанной поверхности отражателя R = 0,05-0,04 мкм методом ультразвукового безабразивного полирования.
Обработку производили с амплитудой колебаний инструмента Y 1,1 мкм, так как при этом достигается наибольшее значение коэффициента снижения шероховатости К 2,11.
Для гарантированного обеспечения заданной шероховатости обработанной поверхности принимали в расчетах наименьшее ее значение R = 0,04 мкм и наибольшее значения R _исх= 2,0 мкм, R _инс= 0,02 мкм. Величину подачи выбираем 1 мм/дв.ход.
Радиус рабочей поверхности инструмента в направлении подачи определяли по формуле (6)
r = = 310,6 мм
Радиус r₂ определяли по формуле (11)
r₂=
5,2 мм
Промышленность выпускает твердосплавные пластинки с различными размерами по ГОСТу 25395-82. Выбирали пластинку с размерами Б d/d диаметр волновода. И для обеспечения надежного соединения пластинки с торцом волновода выбирали А d. Размеры инструмента: А 6 мм; Б 14 мм; r₁ 310 мм; r₂ 5,0 мм.
По результатам эксперимента (табл. 2) для получения R = 0,038 мм требуется инструмент с r₁ 320 мм; r₂ 5,0 мм при Y 1,1 мкм и F 240 H, т.е. имелось вполне удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных размеров рабочей поверхности инструмента.
Использование предлагаемого способа чистовой и упрочняющей обработки позволяет:
исключить экспериментальные работы для определения размеров рабочей поверхности инструмента, обеспечивающих получение заданной шероховатости обработанной поверхности детали R , так как размер радиуса r₁ по формуле (6) рассчитывается в зависимости от заданной шероховатости R
исключить экспериментальные работы для выбора оптимальной амплитуды колебаний инструмента Y, так как ее значение можно установить, пользуясь предлагаемым графиком (фиг. 3);
производить обработку с минимально достижимой при данных условиях шероховатостью, так как формулы (6) и (11) для расчета радиусов выведены исходя из условия полного сглаживания исходной шероховатости, при этом обеспечивается получение минимальной шероховатости;
производить обработку маложестких и тонкостенных деталей, не нарушая их жесткости, полностью ликвидировать брак по этой причине и повысить выход годных деталей, так как при расчете размер радиуса r₂ по формуле (11) принимают величину усилия поджима инструмента F, равную или меньше допускаемого для таких деталей.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. Цель изобретения повышение качества обработки за счет получения требуемой шероховатости обработанной поверхности. Чистовую и упрочняющую обработку металлических поверхностей производят инструментом с рабочей поверхностью формы круговой бочки, размеры которой определяют по формулам, приведенным в описании изобретения. Обработку производят с сообщением ультразвуковых колебаний инструменту. Это позволяет исключить экспериментальные работы для определения размеров рабочей поверхности инструмента, обеспечивающих получение заданной шероховатости обработанной поверхности детали. 5 ил. 2 табл.