RU2151690C1

RU2151690C1 - Abrasive tool providing sign-variable deformation in ground layer

Info

Publication number: RU2151690C1
Application number: RU99108602A
Authority: RU
Inventors: Ю.С. Степанов; Б.И. Афонасьев
Original assignee: Орловский государственный технический университет
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2000-06-27

Abstract

FIELD: in-feed grinding of hard-to-work materials in conditions of batch production. SUBSTANCE: abrasive tool includes two grinding wheels with the same diameters. Both wheels are mounted on coaxial hollow and central shafts with possibility of rotation in opposite directions and feed motion. In order to provide sign-variable deformations in ground layer, tool includes two disc chucks. Central shaft has spheric neck portion. Wheels are mounted on shafts with inclination angle α relative to plane normal to rotation axis. First grinding wheel is rigidly secured to hollow shaft of disc chuck in the form of end cam mechanism for oscillating second wheel. Said disc chuck is engaged with disc chuck supporting second wheel with possibility of oscillation depending upon oscillation of first wheel. Disc chuck of second wheel is jointly coupled with spheric neck portion of central shaft. Wheel has height B2, spheric outer surface with diameter Dsp and it is arranged symmetrically relative to center of sphere of neck portion of central shaft. Maximum angle of its inclination depends upon values B2 and Dsp. EFFECT: enhanced efficiency of grinding at the same high quality of article. 5 dwg

Description

Изобретение относится к абразивной металлообработке и касается конструкций абразивных инструментов, которые могут быть использованы при врезном шлифовании труднообрабатываемых материалов, в частности на плоско-, круглошлифовальных станках, станках с ЧПУ, гибких производственных модулях для финишных операций в условиях серийного производства. The invention relates to abrasive metalworking and for the design of abrasive tools that can be used for plunge grinding of hard-to-handle materials, in particular on flat, circular grinding machines, CNC machines, flexible production modules for finishing operations in mass production.

Известны сборные шлифовальные круги, которые выполнены в виде закрепленных на общем валу с осевым зазором один относительно другого и наклонных к плоскости вращения абразивных дисков [1,2]. Known prefabricated grinding wheels, which are made in the form of fixed on a common shaft with an axial clearance of one relative to the other and inclined to the plane of rotation of the abrasive discs [1,2].

Недостатком известных круга является сложность процесса обработки, так как при шлифовании широких поверхностей необходимо осуществление продольной и поперечной подач. При шлифовании же только с поперечной подачей места стыков дисков (при их износе и уменьшении диаметра) на обрабатываемой поверхности оставляют дефекты, что недопустимо. Кроме того, шлифовальные круги неэффективны, так как не обеспечивают возможность повышения интенсивности обработки и повышенного качества при шлифовании высокопрочных материалов и металлов с напыленными износостойкими покрытиями (например, на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и др.). A disadvantage of the known circle is the complexity of the processing process, since when grinding wide surfaces, longitudinal and transverse feeds are necessary. When grinding only with a transverse feed of the joints of the disks (when they are worn and the diameter is reduced), defects are left on the treated surface, which is unacceptable. In addition, grinding wheels are ineffective, because they do not provide the possibility of increasing the processing intensity and high quality when grinding high-strength materials and metals with sprayed wear-resistant coatings (for example, based on oxides, carbides, nitrides, borides, etc.).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является абразивный инструмент, состоящий из шлифовального круга, которому сообщают вращение и движение подачи, а заготовке - возвратно-поступательное перемещение относительно круга, при этом берут второй шлифовальный круг, устанавливают его соосно первому со смещением вдоль оси и сообщают вращение в направлении, противоположном вращению первого [3]. The closest in technical essence and the achieved result is an abrasive tool consisting of a grinding wheel, which tells the rotation and movement of the feed, and the workpiece is reciprocating movement relative to the wheel, while taking the second grinding wheel, set it coaxially with the first with an offset along the axis and report rotation in the direction opposite to the rotation of the first [3].

Недостатками известного абразивного инструмента являются высокий температурный режим работы кругов при повышении интенсивности обработки, при этом инструмент малоэффективен и не обеспечивает возможность повышенного качества при шлифовании высокопрочных материалов и металлов с напыленными износостойкими покрытиями (например, на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и др. ) из-за появления прижогов и микротрещин на обрабатываемой поверхности и затрудненного попадания СОЖ в зону обработки, а также повышенный расход абразива. Кроме того, способ затрудняет применение высокоэффективных кругов с аксиально смещенным режущим слоем. The disadvantages of the known abrasive tools are the high temperature conditions of the wheels with increasing processing intensity, while the tool is ineffective and does not provide the possibility of high quality when grinding high-strength materials and metals with sprayed wear-resistant coatings (for example, based on oxides, carbides, nitrides, borides, etc. ) due to the appearance of burns and microcracks on the treated surface and the difficult penetration of coolant into the treatment area, as well as increased consumption of abrasive. In addition, the method makes it difficult to use highly efficient wheels with an axially offset cutting layer.

Задачей изобретения является повышение производительности обработки высокопрочных материалов и металлов с напыленными износостойкими покрытиями (например, на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и др.) при сохранении качества изделия и бесприжоговости обработки, а также снижение энергозатрат на единицу объема снимаемого металла. The objective of the invention is to increase the processing performance of high-strength materials and metals with sprayed wear-resistant coatings (for example, based on oxides, carbides, nitrides, borides, etc.) while maintaining the quality of the product and non-aging processing, as well as reducing energy consumption per unit volume of the removed metal.

Поставленная задача решается предлагаемым абразивным инструментом, содержащим два шлифовальных круга одинакового диаметра, расположенные на коаксиальных полом и центральном валах с возможностью вращения в противоположных направлениях и движением подачи, при этом для создания знакопеременных деформаций в срезаемом слое он содержит две планшайбы, центральный вал выполнен со сферической шейкой, круги установлены на валах под углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем первый шлифовальный круг жестко закреплен на полом валу планшайбы, выполненной в виде торцового кулачкового механизма осцилляции второго круга и установленной в контакте с планшайбой, на которой с возможностью осцилляции, зависящей от осцилляции первого круга, установлен второй круг, планшайба второго круга шарнирно сопряжена со сферической шейкой центрального вала, а круг выполнен высотой B₂ со сферической наружной поверхностью диаметром D_сф и расположен симметрично относительно центра сферы шейки центрального вала, кроме того, его максимальный угол наклона α_max определен из выражения
α_max arctg(B₂/D_сф).The problem is solved by the proposed abrasive tool containing two grinding wheels of the same diameter, located on the coaxial hollow and central shafts with the possibility of rotation in opposite directions and the feed movement, while to create alternating deformations in the cut layer, it contains two faceplates, the central shaft is made with a spherical the neck, the wheels are mounted on the shafts at an angle α to a plane perpendicular to the axis of rotation, and the first grinding wheel is rigidly fixed to the floor in Alu plate, made in the form of a face cam mechanism of oscillation of the second circle and installed in contact with the plate, on which, with the possibility of oscillation, depending on the oscillation of the first circle, a second circle is mounted, the plate of the second circle is articulated with the spherical neck of the central shaft, and the circle is made high B ₂ with a spherical outer surface with a diameter of D _sph and is located symmetrically with respect to the center of the sphere sphere of the central shaft neck, in addition, its maximum inclination angle α _{max is} determined from the expression
α _max arctg (B ₂ / D _sf ).

На фиг. 1 показана конструкция абразивного инструмента, обеспечивающая знакопеременные деформации в срезаемом слое, частичный продольный разрез; на фиг. 2 - вид по А на фиг. 1; на фиг. 3 - общий вид в положении, когда инструмент повернут на 180^o относительно положения на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 - развертка следа кругов на обрабатываемой поверхности.In FIG. 1 shows the design of an abrasive tool, providing alternating deformations in the shear layer, a partial longitudinal section; in FIG. 2 is a view along A in FIG. 1; in FIG. 3 is a general view in a position where the tool is rotated 180 ^° relative to the position in FIG. 1; in FIG. 4 is a section BB in FIG. 1; in FIG. 5 - scan trace of circles on the work surface.

Абразивный инструмент, обеспечивающий знакопеременные деформации в срезаемом слое, устанавливают на модернизированных плоско-, круглошлифовальных станках, станках с ЧПУ и гибких производственных модулях. The abrasive tool, which provides alternating deformations in the cut-off layer, is installed on the upgraded flat-, circular-grinding machines, CNC machines and flexible production modules.

Первый шлифовальный круг 1 и второй - 2 расположены соответственно на полом 3 и центральном 4 коаксиальных валах в шпиндельном узле шлифовальной бабки (не показана). Валам сообщают вращения в противоположных направлениях. The first grinding wheel 1 and the second - 2 are located respectively on the hollow 3 and central 4 coaxial shafts in the spindle unit of the grinding headstock (not shown). The shafts are told rotations in opposite directions.

Особенностью конструкции абразивного инструмента, обеспечивающего знакопеременные деформации в срезаемом слое, является следующее. Шлифовальный круг 1 берут типа ПВ и устанавливают на полом валу 3 под острым углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения, с помощью косого фланца 5, а крепление производят планшайбой 6, представляющей собой торцовый кулачковый механизм осцилляции для круга 2. The design feature of the abrasive tool that provides alternating deformations in the shear layer is the following. The grinding wheel 1 is taken as type PV and mounted on the hollow shaft 3 at an acute angle α to the plane perpendicular to the axis of rotation using an oblique flange 5, and fastening is carried out by the faceplate 6, which is an end-face cam oscillation mechanism for circle 2.

Шлифовальный круг 2 типа ПП шарнирно установлен на центральном валу 4 на планшайбе 7 со сферическим отверстием и сопряженной с ней сферической шейкой 8 через шарики 9, контактирующие с пазами 10 в планшайбе 7, при этом круг расположен симметрично относительно центра сферы шейки 8 и наружная периферийная поверхность заправлена по сфере. Кроме того, планшайба 7 своей опорной поверхностью, расположенной на торце 11, контактирует с торцовым кулачковым механизмом осцилляции планшайбы 6. Крепление шлифовального круга 2 на планшайбе 7 осуществляют гайкой 12, а сферической шейки 8 на центральном валу 4 - гайкой 13. A grinding wheel of type 2 PP is pivotally mounted on the central shaft 4 on the faceplate 7 with a spherical hole and a spherical neck 8 connected to it through balls 9 in contact with the grooves 10 in the faceplate 7, the wheel being located symmetrically relative to the center of the neck sphere 8 and the outer peripheral surface seasoned by sphere. In addition, the faceplate 7, with its abutment surface located on the end face 11, is in contact with the end cam oscillation mechanism of the faceplate 6. The grinding wheel 2 is mounted on the faceplate 7 with a nut 12, and the spherical neck 8 on the central shaft 4 with a nut 13.

Абразивный инструмент, обеспечивающий знакопеременные деформации в срезаемом слое, работает следующим образом. Шлифовальному кругу 1 сообщают вращение с частотой, допускаемой режущими свойствами инструмента, в одном направлении, второму кругу 2 - в противоположном направлении с той же частотой. Обрабатываемой заготовке, если, например, рассматривать традиционное плоское шлифование, закрепленной на магнитной плите (не показана), сообщают прямолинейное возвратно-поступательное движение в продольном направлении. При этом столу обеспечивают также периодическую подачу после каждого или двойного хода стола. После каждого прохода шлифовальной бабке сообщают вертикальную подачу до полного снятия всего припуска. Для использования предлагаемого абразивного инструмента, обеспечивающего знакопеременные деформации в срезаемом слое, на плоскошлифовальном станке модернизируют узел главного движения - вращение шлифовальных кругов. Модернизация заключается в установлении в шпиндельном узле полого и центрального коаксиальных валов. Полый вал размещен в шпиндельном узле на гидростатических опорах, во внутренних опорах которого находится центральный вал, при этом каждый вал имеет свой механизм привода. An abrasive tool that provides alternating deformations in the shear layer works as follows. The grinding wheel 1 is informed of the rotation with a frequency allowed by the cutting properties of the tool in one direction, the second wheel 2 - in the opposite direction with the same frequency. A workpiece, for example, if we consider traditional flat grinding, mounted on a magnetic plate (not shown), report a linear reciprocating motion in the longitudinal direction. At the same time, the table is also provided with periodic supply after each or double table stroke. After each pass, the grinding head reports a vertical feed until the entire stock is completely removed. To use the proposed abrasive tool, which provides alternating deformations in the cut layer, on the surface grinding machine, the main movement unit is updated - the rotation of the grinding wheels. Modernization consists in installing hollow and central coaxial shafts in the spindle unit. The hollow shaft is placed in the spindle unit on hydrostatic bearings, in the inner bearings of which there is a central shaft, each shaft having its own drive mechanism.

Шлифовальные круги располагают со смещением вдоль оси и под острым углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения. Тогда неподвижно закрепленный на полом валу 3 круг 1 высотой B₁ при каждом проходе будет обрабатывать поверхность шириной B_1o (см. фиг. 1, 5) благодаря осцилляции аксиально смещенного режущего слоя. Ширина поверхности B_2o, захватываемая кругом 2 при каждом проходе, зависит от глубины резания t₂ и D_сф - диаметра сферы, по которой заправлен круг 2 и определяется по формуле
B_2o-(t₂•D_сф-t₂ ²)^1/2.Grinding wheels are displaced along the axis and at an acute angle α to a plane perpendicular to the axis of rotation. Then, a circle 1 of height B ₁ fixed on the hollow shaft 3 will, at each pass, process a surface of width B _1o (see Figs. 1, 5) due to the oscillation of the axially displaced cutting layer. The width of the surface B _2o , captured by the circle 2 at each pass, depends on the cutting depth t ₂ and D _sf - the diameter of the sphere by which the circle 2 is filled and is determined by the formula
B _2o - (t ₂ • D _sf -t ₂ ² ) ^1/2 .

Для угла α наклона шлифовального круга 2, равного
α_max = arctq(B₂/D_сф)
ширина поверхности будет изменяться от максимального значения B_2o до
B_2o ¹ = B₂₀/2,
как показано на развертке следа инструмента на обрабатываемой поверхности на фиг. 5. Для углов наклона круга 2 менее α_max - ширина шлифования будет постоянной и максимальной B_2o. Для углов наклона круга 2 более α_max - ширина B_2o будет уменьшаться и доходить до нуля, т. е. контакт круга с заготовкой будет прерываться, что не производительно. Поэтому оптимальным углом наклона шлифовальных кругов будет α_max, при котором вся сферическая периферийная поверхность круга 2 будет участвовать в работе и равномерно изнашиваться.For the angle α of the inclination of the grinding wheel 2 equal to
α _max = arctq (B ₂ / D _sf )
the width of the surface will vary from the maximum value of B _2o to
B _2o ¹ = B _20/2,
as shown in a scan of the tool track on the work surface in FIG. 5. For the angles of inclination of the wheel 2 less than α _max - the grinding width will be constant and maximum B _2o . For the angles of inclination of the circle 2 more than α _max - the width B _2o will decrease and reach zero, that is, the contact of the circle with the workpiece will be interrupted, which is not productive. Therefore, the optimum angle of inclination of the grinding wheels will be α _max , at which the entire spherical peripheral surface of the wheel 2 will participate in the work and wear evenly.

Круг 1, срезая слой металла, формирует текстуру поверхностного слоя с вектором ω₁ и деформацию сдвига в одном направлении (на фиг. 5 стрелками показано вниз). Круг 2, осциллирующий синхронно относительно первого круга, вращается в противоположном направлении и, срезая слой металла, формирует текстуру поверхностного слоя с вектором ω₂ и деформацию сдвига в другом направлении (на фиг. 5 - вверх). Таким образом, автоматически создаются знакопеременные деформации сдвига в поверхностном слое заготовок и постоянно осуществляется резание против направления векторов ω₁ и ω₂ а, следовательно, и текстуры срезаемого слоя. В результате снижается сила резания и повышается эффективность процесса шлифования [4].Circle 1, cutting off the metal layer, forms the texture of the surface layer with the vector ω ₁ and the shear strain in one direction (in Fig. 5, arrows are shown down). Circle 2, which oscillates synchronously with respect to the first circle, rotates in the opposite direction and, cutting off the metal layer, forms the texture of the surface layer with the vector ω ₂ and the shear strain in the other direction (upward in Fig. 5). Thus, alternating shear deformations are automatically created in the surface layer of the workpieces and cutting is constantly carried out against the direction of the vectors ω ₁ and ω ₂ and, consequently, the texture of the sheared layer. As a result, the cutting force decreases and the efficiency of the grinding process increases [4].

Глубины резания каждым кругом могут быть выбраны в различных соотношениях, исходя из потребностей обработки (например, равны друг другу t₁=t₂=0,03 мм или отличаться по величине t₁=0,03 мм t₂=0,01 мм). Различие в глубине резания обеспечивается условиями правки шлифовальных кругов, то есть величинами их наружных диаметров перед началом обработки. При равенстве наружных диаметров кругов теоретически t₁=0, однако за счет более интенсивного износа второго круга первым кругом будет осуществляться процесс тонкого шлифования в пределах t₁=0,001 - 0,005 мм и более в зависимости от величины t₂.The cutting depths of each wheel can be selected in various ratios, based on the processing needs (for example, t ₁ = t ₂ = 0.03 mm are equal to each other or differ in value t ₁ = 0.03 mm t ₂ = 0.01 mm) . The difference in the depth of cut is provided by the dressing conditions of the grinding wheels, that is, the values of their outer diameters before starting the treatment. If the outer diameters of the wheels are equal, theoretically t ₁ = 0, however, due to more intensive wear of the second wheel, the first wheel will carry out the process of fine grinding in the range of t ₁ = 0.001 - 0.005 mm or more, depending on the value of t ₂ .

Центральный 4 и пустотелый 3 валы получают независимое вращение с одинаковой или разной частотой. Планшайба 7, своим торцом 11 опираясь на кулачковый механизм планшайбы 6, совершает осцилляцию, поворачиваясь по сферической шейке 8. Благодаря вращению шлифовального круга 2 с непрерывной осцилляцией, синхронной осцилляции 1 круга, на сферической шейке 8 изменяется угол положения зерен относительно обрабатываемой поверхности (зерна круга 2 становятся под разными углами к поверхности при различном угловом положении шлифовального круга 2). Это способствует повышению качества обработки вследствие лучшего самозатачивания зерен. Central 4 and hollow 3 shafts receive independent rotation with the same or different frequency. The faceplate 7, with its end face 11 resting on the cam mechanism of the faceplate 6, oscillates by turning along the spherical neck 8. Due to the rotation of the grinding wheel 2 with continuous oscillation, synchronous oscillation of 1 circle, the angle of the grain position relative to the surface being machined (circle grains 8) changes on the spherical neck 8 2 become at different angles to the surface at different angular positions of the grinding wheel 2). This helps to improve the quality of processing due to better self-grinding of the grains.

За счет предотвращения снижения шероховатости поверхности и исключения теплового воздействия при обработке заготовок предлагаемым абразивным инструментом, обеспечивающим знакопеременные деформации в срезаемом слое, брак сокращается до 60%. By preventing the reduction of surface roughness and eliminating thermal effects when processing workpieces with the proposed abrasive tool, which provides alternating deformations in the cut layer, the marriage is reduced to 60%.

В результате осцилляции зоны резания и противоположной направленности вращения кругов гарантируется бесприжоговость обработки, улучшение качества обрабатываемой поверхности, что позволяет интенсифицировать процесс шлифования. As a result of the oscillation of the cutting zone and the opposite direction of rotation of the circles, free processing is guaranteed, and the quality of the processed surface is improved, which makes it possible to intensify the grinding process.

Исследования, проведенные на модернизированном плоскошлифовальном станке мод. ЗБ722 при шлифовании предлагаемым инструментом с алмазными кругами заготовок из стали 45 с различными износостойкими покрытиями (на основе оксидов, карбидов, нитридов и боридов), показали, что по сравнению с обычным шлифованием одним кругом, при котором на покрытии не появляются микротрещины и сколы, можно увеличить до 0,02 мм (т. е. в 2 раза). Кроме того, существенно снижаются энергозатраты на единицу объема металла, снимаемого за 1 мин, и в 3-4 раза повышается производительность обработки при сохранении заданных характеристик качества изделия по шероховатости, остаточным напряжениям и др. Research conducted on a modernized surface grinding machine mod. ZB722 when grinding with a tool with a diamond wheel the workpieces made of steel 45 with various wear-resistant coatings (based on oxides, carbides, nitrides and borides), showed that, compared to conventional grinding with one wheel, in which microcracks and chips do not appear on the coating, increase to 0.02 mm (i.e. 2 times). In addition, energy consumption per unit volume of metal removed in 1 min is significantly reduced, and processing productivity is increased 3-4 times while maintaining the specified product quality characteristics for roughness, residual stresses, etc.

Таким образом, особенностью предлагаемого абразивного инструмента, обеспечивающего знакопеременные деформации в срезаемом слое, является совмещение осцилляции зоны шлифования, улучшающая тепловой баланс инструмента, повышающая его стойкость и уменьшающая засаливаемость, с обеспечением знакопеременных деформаций сдвига в поверхностном слое и осуществлением резания против направления текстуры срезаемого слоя, которые расширяют технологические возможности, обеспечивают повышение производительности обработки при сохранении качества изделия, снижают энергозатраты на единицу объема снимаемого металла. Thus, the feature of the proposed abrasive tool that provides alternating deformations in the shear layer is the combination of oscillations of the grinding zone, which improves the heat balance of the tool, increases its resistance and reduces salinity, with the provision of alternating shear deformations in the surface layer and cutting against the direction of the texture of the shear layer, which expand technological capabilities, provide increased processing productivity while maintaining quality va products, reduce energy consumption per unit volume of metal removed.

Предлагаемый абразивный инструмент обеспечивает свободный подвод смазывающе-охлаждающей жидкости в зону обработки, что также повышает производительность шлифования. The proposed abrasive tool provides a free supply of cutting fluid in the processing zone, which also increases the grinding performance.

Источники информации
1. Патент США N 1976233, кл. 51-34, опубл. 1934.Sources of information
1. US patent N 1976233, cl. 51-34, publ. 1934.

2. А. с. СССР N 689823, МКИ B 24 D 5/00, 2530982/25-08 заявл. 28.09.77, опубл. 05.10.79. Бюл. N 37. 2. A. p. USSR N 689823, MKI B 24 D 5/00, 2530982 / 25-08 decl. 09.28.77, publ. 10/05/79. Bull. N 37.

3. А. с. СССР N 1796414, МКИ B 24 B 1/00, 49492539/08 заявл. 08.04.91, опуб. 23.02.93. Бюл.N 7 - прототип. 3. A. p. USSR N 1796414, MKI B 24 B 1/00, 49492539/08 decl. 04/08/91, publ. 02/23/93. Bull.N 7 - prototype.

4. Костин Н. В., Костин А.Н. Автоматизированное обеспечение знакопеременных деформаций в срезаемом слое при шлифовании // Станки и инструменты. - 1990. - N 5.- С. 19-20. 4. Kostin N.V., Kostin A.N. Automated maintenance of alternating deformations in the cut-off layer during grinding // Machine tools and tools. - 1990. - N 5.- S. 19-20.

Claims

An abrasive tool containing two grinding wheels of the same diameter located on coaxial hollow and central shafts with the possibility of rotation in opposite directions and a feed movement, characterized in that for creating alternating deformations in the cut layer it contains two faceplates, the central shaft is made with a spherical neck, circles are mounted on shafts at an angle α to a plane perpendicular to the axis of rotation, and the first grinding wheel is rigidly fixed to the hollow shaft of the faceplate, made in the form mechanical cam oscillation mechanism of the second circle and set in contact with the face plate on which, with oscillation, dependent on the oscillations of the first circle has a second circle faceplate second circle pivotally paired with a spherical neck central shaft, a circle is formed a height B ₂ having a spherical outer surface diameter D _sf and is located symmetrically with respect to the center of the sphere sphere of the central shaft neck, while its maximum inclination angle α _{max is} determined from the expression α _max = arctg (B ₂ / D _sf ).