Управление траекторией рабочего движения при доводке плоскостей

Наиболее распространенным в производстве процессом окончательной обработки прецизионных поверхностей является процесс доводки абразивным зерном. Особенность этого процесса состоит в том, что абразивные зерна (а точнее, смесь зерен с компонентами пасты или смазывающе-охлаждающей жидкости) под воздействием притира 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.

Доводочные станки имеют сложные и разнообразные траектории рабочего движения, которые образуются путем комбинации двух-трех вращательных или поступательных движений. Установлено, что сложное рабочее движение способствует повышению качества и производительности доводки [1]. По кинематическому признаку большинство станков

Иванов Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты»

Муратов Карим Равилевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Конструирование машин и сопротивление материалов»

Гашев Евгений Анатольевич, инженер можно разделить на две группы: станки с поступательным рабочим движением и станки с вращательным движением притира. 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. К недостаткам можно отнести неравномерность износа вследствие неравенства линейных скоростей и использование только 1/3 диаметра инструмента из-за нулевой скорости в центре притира. В станках с поступательным рабочим движением скорости резания и пути трения всех точек притира одинаковы, что позволяет использовать всю его рабочую поверхность. В результате обеспечивается равномерный износ поверхности притира и более высокая точность обработки. 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.

Наиболее совершенными по кинематике можно считать плоскодоводочные станки с растровой траекторией рабочего движения притира, которая удовлетворяет вышеуказанным требованиям. В этих станках недостатки поступательного движения частично компенсируются за счет дополнительного прерывистого вращения кассеты с деталями с помощью нажимного устройства [2]. Преимущества вращательного и поступательного движения удачно реализуются в станках с циклоидальной траекторией рабочего движения, которая образуется путем суммирования круговых колебаний и медленного вращения притира [3], 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 1 приведены результаты экспериментов по влиянию вида траектории на величину шероховатости поверхности и скорости съема материала в относительных величинах. Значения Ra и υ, полученные при растровой доводке, приняты за 1.

Таблица 1. Влияние вида траектории рабочего движения инструмента на величину шероховатости поверхности R a и скорости съема материала υ

Вид траектории

Показатели процесса доводки

линия эллипс

окружность

циклоида

растр

R a υ

3          2,5

0,4         0,5

2 0,6

1,3 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. 1 представлена схема доводки на опытной установке, где ω – частота круговых колебаний притира, е – амплитуда круговых колебаний, n п – частота вращения притира, n д – частота вращения обрабатываемой детали, F – усилие прижима обрабатываемой детали.

F Обрабатываемая деталь

Рис. 1. Схема доводки

Главным движением притира, осуществляющим съем металла с обрабатываемой детали, является поступательное движение по круговой траектории диаметром 2e 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. На первом этапе экспериментальных исследований рассматривались основные закономерности образования циклоидальной траектории и влияние соотношения скоростей составляющих рабочее движение притира (ω, nп) на характер изменения параметров траектории. Результаты исследований показали, что плотность сетки циклоидальной траектории обратно пропорциональна радиусу расположения рассматриваемой точки и частоте дополнительного вращения притира nп рисунок 2, а.

В процессе доводки за счет силы абразивного трения пропорциональной усилию прижима F (рис. 1) обрабатываемая деталь или кассета с деталями получает вращение вокруг своей оси в том же направлении и, практически, с той же угловой скоростью, что и притир. При равных угловых скоростях притира и детали, их относительное движение не вращательное, а поступательное [4] по циклоидальной траектории с постоянной плотностью сетки рисунок 2б, так как скорости скольжения всех точек детали равны независимо от их расположения относительно центра притира.

а)                              б

Рис. 2. Виды циклоидальных траекторий: а) – рабочего движения притира; б) – относительного движения детали и притира

Путем регулирования скорости дополнительного вращения притира, можно целенаправленно изменять плотность сетки следов обработки и формировать необходимые эксплуатационные свойства микрорельефа обрабатываемой поверхности. 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 в нанометровом диапазоне.