CC BY
41
УДК 621.923.5
И. И. КОШУКОВ
Омский государственный технический университет
ДОВОДКА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗАКРЫТОГО ТИПА МЕТОДОМ НЕКООРДИНИРОВАННОГО БАЗИРОВАНИЯ
Работа посвящена процессу абразивной обработки плоских поверхностей закрытого типа, принадлежащих деталям малой жёсткости; плоских поверхностей тонких пластин, выполненных из немагнитного материала; а также поверхностей кольцевых канавок пресс-форм, используемых в производстве резинотехнических изделий. Раскрыт механизм планетарного движения плоских деталей в условиях свободного (некоординированного) базирования.
Ключевые слова: некоординированное базирование, степень свободы, базовая полость, диаметральный зазор, планетарное движение.
Тема исследовательских работ относится к области машиностроения и касается технологических процессов доводки высокоточных плоских поверхностей, таких как:
а) плоские поверхности закрытого типа, на примере обоймы (рис. 1а),
б) плоскопараллельные поверхности тонких (не жестких) пластин, выполненных из немагнитных материалов (рис. 1б),
в) торцы регулировочных шайб толщиной от 0,15 мм и более (рис. 1в),
г) поверхности кольцевых канавок пресс-форм, используемых в производстве резинотехнических изделий типа мембрана (рис. 1г).
Известен способ доводки аналогичных поверхностей, основанный на принципе работы торцодово-дочного станка мод. ДПТ-2 [1] (рис. 2), основу которого составляют два шпинделя (верхний 1 и нижний 2) с параллельными осями вращения. Верхний шпиндель установлен в подвижной траверсе 3 и может осуществлять параллельное перемещение относительно нижнего шпинделя. Технологическую оснастку представляют трубчатый притир 4 и установочное приспособление 5, выполненное в виде державки с базовой полостью для размещения обрабатываемой детали. Трубчатый притир установлен в базовом отверстии верхнего шпинделя, а державка в базовом отверстии нижнего шпинделя. При выполнении операции деталь размещается в базовой полости державки и закрепляется механическим способом, оставляя детали всего одну степень свободы. На первый взгляд процесс доводки соответствует требованиям современного производства в области формообразования плоских поверхностей закрытого типа. То есть созданы условия для взаимной правки базовой поверхности державки и рабочей поверхности притира. Предусмотрена регулировка взаимного расположения рабочих органов оборудования, имеется возможность менять параметры режима обработки.
Единственно слабым звеном технологического процесса является жесткая фиксация детали в зоне обработки, т.е. в базовой полости державки. От действия сил механического зажима, обрабатываемая поверхность и базовые поверхности, особенно не жёстких деталей, подвергаются деформации, ко-
торая проявляется после снятия детали в виде погрешности геометрической формы обрабатываемой поверхности и как нарушение заданных координат взаимного расположения обрабатываемой и базовой поверхности. Исполнительные размеры в этом случае выполняются с поправкой на доработку ручным способом. Производить контроль размерных параметров детали, как на рабочем месте, так и вне рабочей зоны, не имеет смысла из-за возможных многократных повторений одного и того же технологического перехода.
Исключить слабое звено технологического процесса означает найти замену механическому креплению. Вариантом решения является осуществление принудительного вращения детали посредством сил резания, возникающих между деталью и державкой под действием рабочего давления. Анализ предложений показал, что выполнить эту задачу возможно, если детали, в зоне обработки, обеспечить три степени свободы (перемещение вдоль оси «X», вдоль оси и вращение относительно оси <^») [2]. В этом случае начинает работать механизм взаимодействия трио (притир — деталь — державка). Под действием многочисленных сил трения, деталь, свободно расположенная в базовой полости державки, совершает одновременно принудительное вращение вместе с державкой и планетарное движение относительно оси нижнего шпинделя. Жизнеспособность проекта проверялась на примере доводки закрытой плоской поверхности «Т» обоймы (рис.1а), относящейся к деталям малой жесткости.
1. Доводка закрытых плоских торцов обоймы. В экспериментальном технологическом процессе используются тот же торцодоводочный станок мод. ДПТ-2 (рис. 2) и технологическая оснастка, состоящая из трубчатого притира 1 и державки 2 с базовой полостью «Д» для установки детали. Базовая полость державки отличается от известного только размером глухого отверстия, диаметр которого превышает габариты детали приблизительно на 1мм. Этот зазор в дальнейшем называется диаметральным зазором «е», а внутренний торец отверстия — базовой поверхностью державки.
Процесс технологической наладки заключается в выполнении ряда последовательных действий (переходов):
а)
б)
в)
Рис. 1. Типовые детали:
а) — обойма, б) — тонкая пластина, в) — регулировочная шайба, г) — пресс-форма для мембран
Рис. 2. Кинематическая схема торцодоводочного станка: 1 — шпиндель верхний, 2 — шпиндель нижний, 3 — траверса, 4 — трубчатый притир, 5 — державка
о
го >
а) трубчатый притир устанавливается в базовом отверстии верхнего шпинделя, а державка в отверстии нижнего шпинделя в соосном с ним положении;
б) для исключения погрешности установки, рабочие торцы притира и базового отверстия державки подвергаются совместной притирке до устранения биения;
в) деталь 3 (обойма) размещается на плоском торце базового отверстия державки с определенным диаметральным зазором «е» = 1мм (рис. 3а);
г) притир опускается до касания с обрабатываемой поверхностью детали;
д) при повороте траверсы деталь, через касание с притиром, перемещается до соприкосновения с цилиндрической поверхностью базового отверстия державки (рис. 3б), а затем притир отводится на величину «Z», равную половине диаметрального зазора «е» (рис. 3в);
е) на обрабатываемую поверхность наносится слой абразивной пасты, (в данном случае АСМ 10 / 7);
ж) притир поджимается к детали с рабочим давлением (р = 0,5 кг/см2).
С включением главного привода суммарные силы трения «F' » (рис. 4), действующие между базовыми поверхностями детали и державки, а также на обрабатываемой поверхности, перемещают деталь вокруг оси «Т» державки до ближайшего упора. Коснувшись вращающегося притира в точке «О», деталь автоматически поджимается силами трения «F"» к цилиндру базового отверстия в точке «К» и катится по его внутренней поверхности, как колесо телеги по круговой дороге с тяговым усилием «Р». Кинематические точки контакта «О» и «К» фиксируют деталь в пространстве зоны обработки так, что под действием сил трения она начинает совершать, по отношению к державке, планетарное движение. Общее движение детали складывается из вращения относительно собственной оси «С» и перемещения по круговой траектории с радиусом равным половине диаметрального зазора «е» (отрезок СТ). Абразивная паста, попавшая на базовые поверхности детали и державки, размазывается по контактирующим поверхностям равномерным тонким слоем, обеспечивая плотное прилегание базовых поверхностей детали и державки. Излишки пасты размещаются в грязевой канавке базового отверстия державки. По окончании цикла доводки деталь без всяких усилий извлекается из базовой полости для выполнения контрольных замеров. Остаточный припуск удаляется повторным проходом без проблем с базированием.
Вращение детали вокруг своей оси складывается из вращения по часовой стрелке и против часовой стрелки. Мгновенные окружные скорости детали и державки в точке «К» равны и выражаются формулами:
V = я d п' и V = я D п, где d — диаметр детали, п' — угловая скорость детали, направленная против часовой стрелки, D —диаметр державки, п — угловая скорость державки (главного привода).
На основании решения двух уравнений, угловая скорость детали оказывается больше угловой скорости державки (п'>п). Разность угловых скоростей определяет угловую скорость планетарного движения детали, направленную против часовой стрелки:
п" = п' — п
где п" — угловая скорость планетарного движения направленная по часовой стрелке. Благодаря планетарному движению детали, точка «К» меняет своё расположение относительно державки с постоянной цикличностью, равной частоте вращения главного привода, и способствует устранению клиновидности геометрической формы обрабатываемой поверхности. Окружная скорость «V" '» планетарного движения детали в точке «К» выражается формулой:
V" = я еп,
где е — диаметральный зазор расположения детали в базовом отверстии державки, яе — круговая подача точки «К» детали, выраженная в миллиметрах на оборот вала главного привода. Это значит, что за каждый оборот державки точка «К», принадлежащая детали, перемещается относительно державки на величину «яе», или 3,14 мм.
Таким образом, некоординированное размещение детали в базовой полости державки с диаметральным зазором «е», способствующее возникновению планетарного движение детали относительно оси вращения державки, является существенным отличием данного проекта, позволившего без жёсткого крепления детали осуществлять операцию доводки и полирования закрытых плоских поверхностей с высокой степенью точности.
2. Доводка плоских поверхностей тонких пластин. Сложность обработки плоских поверхностей тонких пластин, выполненных из немагнитных материалов, состоит в том, что их невозможно фиксировать в приспособлениях ни магнитными силами, ни жёстким механическим креплением. В практике производства подобные детали фиксируются с помощью клея или, в случае ручной доводки, накладным устройством — «накладушкой». Ни тот, ни другой способ не отличается высоким качеством обработки и производительностью.
Обрабатываемые поверхности пластин относятся к разряду открытых, поэтому операция доводки в эксперименте выполняется по упрощённой схеме (рис. 5), основанной на использовании того же плане-
110
Рис. 3. Схема наладки (операция доводки закрытого торца обоймы): 1 — притир, 2 — державка, 3 — деталь
Рис. 4. Схема действия сил, участвующих в процессе доводки закрытого торца обоймы: F' — результирующая сил трения пары «деталь-державка»; F" — результирующая сил резания; Р — реакции притира на действие сил трения F; R — вектор результирующих сил Р и F"
Рис. 5. Схема доводки плоской поверхности тонкой пластины:
1 — притир, 2 — державка, 3 — деталь, 4 — буртик, е — диаметральный зазор, F — сила резания
Рис. 6. Схема технологической наладки (операции доводки радиусных канавок пресс-форм): 1 — притир, 2 — державка, 3 — деталь, е — диаметральный зазор
Рис. 7. Станок для доводки профиля радиусных канавок внутреннего профиля
тарного движения детали в базовом гнезде державки. Ниже приведён перечень особенностей технологической наладки проведенного эксперимента:
а) конструктивный зазор «е», представляющий разность диаметра базового отверстия «Д» державки и описанной окружности прямоугольного контура пластины, составляет 1мм;
б) рабочий поясок притира проходит через геометрический центр пластины;
в) для выполнения взаимной правки базового торца державки и рабочего пояска притира буртик 3 державки 2 выполняется съёмным.
Обработка плоскостей выполняется поочерёдно, путём кантовки пластины в базовом отверстии державки. На завершающей стадии обработки, для улучшения внешнего вида обрабатываемой поверхности, на дно базового отверстия укладывается тонкая прокладка, например, из газетной бумаги.
Способ доводки тонких пластин в условиях некоординированного базирования детали оказывается наиболее эффективным, т. к. выполняется на универсальном оборудовании без затраты времени на механическое крепление и на устранение связанных с ним погрешностей.
3. Обработка плоских торцов регулировочной шайбы. Доводка плоских поверхностей регулировочной шайбы производится по аналогичной схеме (рис. 5). Единственное отличие представляет ширина рабочего пояска притира, которая для стабилизации процесса выполняется равной диаметру отверстия шайбы. В случае замены притира на абразивный круг, операция доводки превращается в шлифовальную операцию, которая увеличивает область технологического использования способа некоординированного базирования.
4. Доводка кольцевых радиусных канавок. Технология обработки кольцевых радиусных канавок пресс-форм, используемых в производстве мембран и уплотнительных колец, обычно сводится к предварительной обработке на токарном станке и последующей слесарной обработке. Слесарь с помощью цилиндрической оправки и абразивной шкурки решает проблему микронной точности и высокой чистоты обработки. Такой способ обработки относится к непроизводительному труду, так как движение абразивного зерна совпадает с направлением рисок микрорельефа обрабатываемой поверхности. Мягкая основа абразивной шкурки превращается в копирующий инструмент и способствует длительному процессу сглаживания волн макро- и микрорельефа.
«Идеальное» решение проблемы сводится к применению механизированного способа, в котором вектор скорости резания направлен под углом к направлению рисок микрорельефа обрабатываемой поверхности; высотная координата инструмента жестко привязана к базовой поверхности державки; а профиль канавки автоматически центрируется по профилю инструмента.
На рис. 6 изображена схема наладки данного способа, который выполняется на модернизированном
торцодоводочном станке мод. ДПТ-2 (рис. 7). Как и в предыдущих примерах, деталь (пресс-форма) имеет три степени свободы и располагается в базовой полости державки с диаметральным зазором е = 1мм. Притир выполняется в форме цилиндрического стержня и закрепляется в верхнем шпинделе станка, который установлен под углом «45° к оси вращении нижнего шпинделя. Проекция стержня в горизонтальной плоскости совпадает с касательной к контуру обрабатываемой канавки, а рабочая часть притира находится вблизи точки касания «О». При этом деталь располагается в базовом отверстии державки с равномерным зазором. В момент совмещения профиля инструмента и детали, рабочая кромка притира касается поверхности канавки и центрирует её по своему профилю. Нижняя часть профиля канавки остаётся с небольшим просветом, величина которого не превышает допустимой погрешности радиуса. В процессе обработки острая кромка притира, выполненная из мягкого материала (меди), быстро прирабатывается по профилю канавки и равномерно снимает микронеровности предыдущей обработки. Погрешность центрирования профиля канавки и притира исключается автоматически благодаря наличию диаметрального зазора «е», выполняющего, в данном случае, роль демпфера (успокоителя колебаний). Плоские поверхности, задействованные в формировании рабочего объёма пресс-формы, относятся к разряду закрытых и выполняются по выше рассмотренному способу доводки закрытых поверхностей обоймы.
Контроль глубины канавки производится относительно базовой поверхности основания пресс-формы, что соответствует принципу единства или совпадения проектных, технологических, измерительных и эксплуатационных баз [3].
Отсутствие механического крепления детали, интенсивность съёма микронеровностей и удобство контроля позволяет снизить трудоёмкость операции в 2,5 раза.
Библиографический список
1. Гриднев, В. Н. Механизация доводки прецизионных деталей в мелкосерийном производстве / В. Н. Гриднев, А. 3. Ра-мм. — М. : Машиностроение, 1983. — 71 с.
2. Кошуков, И. И. Прецизионная доводка плоскопараллельных поверхностей / И. И. Кошуков // Омский научный вестник. — 2013. — № 2 (110). — С. 144-150.
3. Глухов, В. И., Метрологическое обеспечение качества по точности геометрических величин / В. И. Глухов. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. — 104 с.
КОШУКОВ Иван Иосифович, инженер-механик. Адрес для переписки: ikoshukov@bk.ru
Статья поступила в редакцию 25.03.2014 г. © И. И. Кошуков
