Способ ультразвуковой механической обработки

САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВУ СКОМУ С ЕЛ К Чр2 Гй МрК ания, мм/сло выступо авок; атываемой скорость ре заданноечи винтовых ка радиус, обра товки, мм; подача, мм. го. э.1 АРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР М ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(72) Г.Г,.Палагнюк и О.В,Терешина (71) Ростовский-на-Дону ордена Трудового Красного Знамени институт сельскохозяйственного машиностроения (53) 621. Э. 048. 6 (088. 8)(56) 1. Авторское свидетельство СССР Р 175375, кл, В 06 В 1/00, 1962 (прототип),2. Комбалов В.С. Влияние шерохо-ватости тел на трение и износ. М Наука, 1974.(54)(57) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, при котором в режущем инструменте возбуждают продольные и крутильные колебания, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эксплуатационных характеристик деталей за счет получения рвгуляризованной поверхности ввиде многозаходных винтовых канавокна поверхности скольжения, изменяютв процессе обработки значение отжимающей составляющей силы резания,для чего меняют соотношение амплитудпродольной и крутильной составляющихколебаний с частотой, определяемойпо формулеИзобретение относится к мвханиче с кой обра бот ке на финишных оп ер ациях и может быть использовано в различных областях машиностроения при механической обработке на металлорвжущих станках для получения заданной регуляризованной поверхности обрабатываемой заготовки.Известны способы получения заданной регуляризованной поверхности путем виброобкатывания: копирование 10 или нарезание многоэаходных винтовых канавок, которые представляют собой длитвльныв технологические операции, проводимые после финишной операции точения или шлифования. При этом на пряжвннов состояние поверхности, радиусы закругления вершин и их распределение по высоте, как правило, различны и носят случайный характер распределения, что отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах контактируемых поверхностей,Наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмейт улучшает процесс пластической деформации, качество формообразующей поверхности, снижает интенсивность удельного износа режущего инструмента, уменьшает интегральные и циклические значения усилия резания и глубину деформированного слоя. Известен способ механическойобработки с сообщением инструментуили иэделию продольных и крутильныхультразвуковых колебаний 13. 35Однако этот способ не позволяетполучить заданной регуляриэованнойповерхности.Теория контактирования, тренияи изнашивания твердых тел устанав- ,0ливает связь между параметрами шероховатости и важнейшими эксплуатационными характеристиками различныхконтактируемых пар механизмов и машин, Одной из важнейших закономерностей приработки шероховатых поверхностей является установление оптимальной равновесной шероховатости,независимой от первоначальной, т.е. шероховатости, полученной в процессе механической обработки или доводки поверхностей трения, когда последние распределены случайно по всему пе,риметру поверхности. Изучение особенностей влияния шероховатости, качест. ва Формообразования обрабатываемой поверхности на трение и изнашивание контактирувмых пар позволяет определить и прогнозировать величину равновесной шероховатости, а затем, исходя иэ заданной равновесной ше роховатости, определить и установить оптимальныв режимы и виды механической обработки для получеяия заданных поверхностей контактируемых пар ,трения, Для уменьшения времени приработки сопряженных поверхностейпар трения, как правило, используютповерхности с одинаковыми высотнымихарактеристиками Н, или К которыеполучают на основе обработки профилограмм заготовок, изготовленных впроцессе механической обработки, например, путем шлифования, полирования, виброобкатывания и т.п. 12).Однако на эксплуатационныв свойства поверхностей оказывают влияниенв только высотные характеристики,но и закон распределения неровностейпо высоте, коэффициент заполненияпрофиля, радиус закругления неровностей, шаг неровностей, регулярнаяи случайная составляющие профиляи другие параметры,Цель изобретения - повышение экснлуатационных характеристик деталейза счет получения равновесной шероховатости и регуляризованной поверхности в виде многоэаходных винтовыхканавок на одной иэ поверхностей контактируемых пар трения (скольжения),Укаэанная цель достигается тем,что согласно способу механической обработки на финишных операциях, прикотором на режущвм инструменте возбуждают комплексные ультразвуковыеколебательные смещения, продольныеи крутильные, изменяют в процессе обработки значение величины отжймающейсоставляющей силы резания и объемпластической деформации обрабатываемого материала путем изменения соотношения амплитуд продольной и крутильной составляющих комплексныхультразвуковых колебаний с частотой,определяемой по ФормулеЧр Кравд+ с,где Чр- заданная скорость резания,мм/с;заданное целое число выступов многоэаходных винтовыхканавок в сечении заготовки;радиус окружности в сеченииобрабатываемой детали эаодин оборот, мм;подача эа один оборот, мм(знак + характеризует направление захода винтовыхканавок),Сущность способа базируется наособенностях динамики процесса резания при ультразвуковых методах обработки металлов и приработки регуляриэованных шероховатых поверхностей кинеМатических пар трения,например подшипников скольженияпри трении беэ смазки, т,е. при су-.хом трении и при жидкостном тренииили граничном с относительно большими неровностями контактируемыхповерхностей.,Процесс приработки сопряженныхконтактируемых поверхностей сопровождается сложными необратимыми явлениями, протекающими в тонком поверхностном слое, связанными с изменением физико-механических и теплофизических свойств поверхностных слоев,их макро- и микрогеометрией. В результате приработки происходитпластическое деформирование, сглаживание и изнашивание наиболее выступающих неровностей, полученных примеханической обработке, частичноеили полное их уничтожение и установление новых неровностей,отличныхот первоначальных по форме и размерам и образующих равновесную шероховатость. 15 Нагрузка с одной поверхности трения на другую передается не по всей номинальной площади контактируемых поверхностей, а лишь по соприкасаю щимся между собой вершинам,. образующим фактическую площадь контакта, При жидкостном или граничном трении поверхностей в начале приработки контактируемых пар вследствие разрыва масляной пленки происходит интенсивное деформирование и смятие отдельных выступов. По окончании приработки микровыступы приобретают более устойчивые размеры и формы, обеспечивающие увеличение фактической площади контакта и наибольшую устойчивость масляной пленки. При этом понижаются среднее удельное давление и средняя температура на фактической площади касания, так как35 после завершения процесса приработки устанавливается оптимальная (равновесная) шероховатость, при которой коэффициент трения или момент трения значительно уменьшаются.,Таким образом, если такую равновесную оптимальную шероховатдсть придать регуляризованной поверхности, выполненной в виде многозаходных 45 винтовых канавок с плавным радиусом закругления, получаемых непосредственно в процессе механической обработки на финишной операции, например точения, то величина износа и длительность приработки таких пар будут минимальными при улучшении эксплуатационных свойств поверхности. Это обусловлено тем, что как в процессе приработки, так и в процессе эксплуатации при значительных55 нагрузках образовываются ювенильные металлические поверхности в результате так называемогопленочного голодания(разрыва масляной пленки), которые создают мостики схваты вания за счет значительных удельных нагрузок с последующим их разрушешением, сопровождающимся образоваФ 1 с нием продуктов износа в виде 4 ешуи или металлической пыли. 65 Наличив многозаходных винтовыхканавок с одной стороны способствуетсвоевременному удалению продуктовизноса, с другой - сравнительнобыстрому восстановлению маслянойпленки из-за наличия масла в самыхвинтовых канавках. При этом размер и распределение пятен каждого иэ микровыступов, образующих фактическую площадь контакта при упругом двформировании, носят не случайный характер распределения по поверхности, а имеют регулярный закон распределения по вершинам (выступам) винтовых канавок, Причем ширину рабочей части выступов (вершин) винтовых канавок (беэ радиусов закругления) выбирают расчетным путем равной наибольшему диаметру пятен, образующих фактическую площадь контакта при упругом деформировании. выступов после их приработки.На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг, 2 - схема реализации преобра. эования продольных колебаний в комплексные; на фиг. 3 - пример формообразования поверхности обрабатываемой детали.Устройство содержит обрабатываемую деталь 1, режущий инструмент 2, выполненный в виде волновода, соединенного с магнитострикционным преобразователем 3, высокочастотные колебания,на который подаются от гвнератора 4, состоящего иэ задающего генератора 5, усилителя 6 мощности, блока 7 стабилизации резонансной частоты с выключателем В, блока 8 задания частоты, включающего высокочастотный кварцевый генератор 9, блок 10 деления и задания частоты и формирователь 11 формы управлякщего сигнала в виде пилы или синусоиды. На инструменте-волноводе 2 имеется участок 12, выполненный для преоб. раэования продольных ультразвуковых колебаний в комплексные колебания (фиг. 2).Способ осуществляется следующим образом.1В процессе обработки детали 1, например вала подшипника скольжения, инструментом 2 на его режущей кромке возбуждают комплексные ультразвуковые колебательные смещения от магнитострикционного преобразователя 3, подключенного к выходу ультразвукового генератора 4. Преобразование продольных ультразвуковых колебаний магнитострикционного преобразователя 3 в комплексные колебания осуществляют (фиг. 2) эа счет участка 12, выполненного в виде витой части инструмента, которая наряду с усилением эа счет винтовых канавок, меняющих диаметр и шаг позаданная скорость резания, мм/с;заданное число выступов (или впадин) многозаходных винтовых канавок .по периметру в сечении обрабатываемой детали;радиус обрабатываемой дета-. ли, мм;подача, мм. Форму модулирующвго сигнала,синусоидальную или пилообразную, за Лают блоком 11.Вторая резонансная частота Х 2 "- 27 кГц соответствует комплекснымультразвуковым колебаниям с преобладанием крутильной или продольнойсоставляющей в зависимости от уходавправо или влево от резонансной час"тоты питающего напряжения преобразователя 3При изменении частоты на0,5 кГц в сторону повышения, т.е,про Х = 27,5 кГц, частота соответству вт комплексным колебаниям с преобладанием крутильной составляющей, апри понижении резонансной частотына 0,5 кГц, т.в. 1 = 26,5 кГц, частота соответствует комплексным коле 65, экспоненциальному закону по всей длине инструмента, преобразовывает продольные колебания магнитострикционного преобразователя 3 в комплексные колебательнив смещения с преобладанием крутильной или продольной составляющих в зависимости от частоты колебательной системы. Например, при возбуждении продольных ультразвуковых колебаний реэо-нансная частота составляет Х 20 кГц,0То есть, для получения заданной регуляриэованной поверхности изменение величины отжимающей составляющей силы резания и объема пластической деформации обрабатывае мого материала осуществляют путем возбуждения комплексных ультраэвуко" вых колебаний, меняющихся по определенному закону, Осуществляется это или управлечием мощностью ультраэву ковых колебаний или путем перестройки системы относительно резонансной частоты с помощью блока 8 задания частоты и Формы модулирующего сигнала, Частоту управления мощностью 25 ультразвуковых колебаний или частоту . качания(перестройки) для получения заданной регуляризованной поверхности в виде наклонных канавокпод углом 45 относительно образующей обрабатываемой детали, а также для получения равновесной шероховатости, задают с помощью блока 10 деления частоты от высокочастотного кварцевого генератора 9 согласно Формуле35к,байиям с преобладанием продольной сос.тавляющей,Третья частота Х . 30-37 кГц приз - водит к возбуждению чисто крутильных форм колебаний эа счет возбужде"ния только кромок волновода-инструмента,Таким образом, (фиг. 2) волноводпозволяет возбуждать на режущем клине различные Формы колебаний.При реализации способа используютсреднюю резонансную частоту27 кГц. Уход от резонанса на0,5 кГц осуществляется по заданному закону изменения амплитуды и частоты, согласно рассчетной Формуле,Комплексные колебания минимизируют колебательные смещения инструмента в радиальном направлении, от-ветственные, в основном, эа точностные параметры обработки, и приводят к значительному уменьшениюусталостных напряжений в режущем клине эа счет значительного уменьшенияпродольной составляющей ультразвуковых колебаний в радиальном направлении, Наличие крутильной составляющейв ультразвуковых комплексных колебаниях на режущем инструменте уменьшает объем пластической деформацииобрабатываемого материала,.уменьшаетзначение отжимающей составляющейсилы резания, улучшает качествоФормообразования поверхности. (шероховатости) и приближает ве к равновесной шероховатости. Поэтому, модулируя соотношение продольной и крутильной составляющих с частотойполучают оптимальную, близ 2 гР-эку к равновесной шероховатую поверхность с регуляризованным закономраспределения выступов по длине заготовки и с заданным радиусом ихзакругления,Угол наклона непрерывных винтовыхканавок по отношению к образующей детали составляет 45 О, когда а 5 =Л,где Д - длина волны модулированныхколебаний, При изменении знака в зна-,менателе ( + на -) направление захода винтовых канавок по часовой стрелке изменяется на противоположное,Значение оптимальной частоты модуляции Х соотношения крутильной ипродольной составляющих комплексныхультразвуковых колебаний получаютиз следующих соображений: на валудиаметром 2 А (Фиг., 3) необходимополучить целое заданное число микровыступов К, образующих по периметруФактическую площадь контакта подшипников скольжения, Для полученияпо периметру рбработки наклонныховинтовых канавок под углом 45 кобразующей заготовок целое число раз.биений К по длине окружности выбирают с учетом величины подачи, т.е,целое число разбиений укладывают.ВНИИПИ Государственног по делам изобретени 113035, Москва, Ж, РаушПодписноекомитета СССРи открытийая наб., д. 4/5 ПП Патент, г.ужгород, ул.Прое фил не на длине окружности 21 Й, а на длине окружности плюс величина подачи эа один оборот -2%й+Ь. Обозначим длину дуги разбиений от точки 1 до точки 2 через К. Тогда для получения наклона 45 выполняет" ся условиеЛ - 27/й- Л(К)3 =-5, отсюда Л-. К где/1: ТУр, Т - период одного колебания выступов привращении детали;Ур - скорость резания,Учитывая, что Т=1/ получаем формулу =,ф- определяющую частоту модуляцйи, необходимую для получе ния заданной регуляризованной поверхности в виде винтовых наклонных канавок под углом 45о.При изменении знака в знаменателе на противоположный, наклон винтовых канавок также меняет .свое направление .на противоположноеИзменяя по указанной формуле частоту модуляции,и соотношение продольной и крутильной составляющих ультразвуковых колебаний или их мощность на режущий инструмент с помощью блока 8 задания частоты модуляции, можно получить заданную регуляризованную поверхность деталей,например подшипников скольжения, соптимальной равновесной шероховатостью и улучшенными эксплуатационными характеристиками пар скольжения в целом.Применение способа позволит расширить область использования ультразвуковых методов обработки в результате повышения эффективности управления ультразвуковыми колебательными смещениями режущего инструментаи улучшения динамических характеристик протекания процесса резания вцелом, повысить эксплуатационныехарактеристики деталей эа счет получения регуляризованной поверхностив виде многозаходных винтовых канавок на поверхности скольжения, минимизировать износ и длительнрстьприработки пар трения, повыситьпроизводительность процесса обработки, исключив промежуточные технологические операции и получая приоперации точения одновременно заданную равновесную шероховатость и регуляризованную поверхность скольжения,