Вибрационный метод обработки деталей

Широкие возможности этого метода на очистных, шлифовально-полировальных и упрочняющих операциях создают благоприятные предпосылки для промышленного использования.

Сущность вибрационной обработки состоит в последовательном нанесении на поверхности обрабатываемых деталей большого числа микроударов гранулами шлифовального материала под действием направленных вибраций, сообщаемых рабочей камере.

Съем металла производится вследствие механического или механохимического диспергирования мельчайших частиц металла и его окислов с обрабатываемой поверхности абразивными гранулами.

Схема вибрационной обработки приведена на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Схема вибрационной обработки деталей

Обрабатываемые детали 1загружают в рабочую камеру2, заполненную шлифовальным материалом и установленную на основании3, подвешенном на пружинах4вибропривода. Рабочей камере сообщают от вибратора осциллирующие движения с частотойf_к= 15..50 Гц и амплитудойА = 0,5…9 мм. Под действием вибрации детали и шлифовальный материал приходят в интенсивное относительное перемещение, совершая два вида движений: колебания и медленное вращение массива загрузки (циркуляционное движение). В процессе обработки детали переориентируются и проходят различные зоны рабочей камеры, что обеспечивает достаточно равномерную обработку всех поверхностей. Процесс обработки рекомендуется производить с подачей в камеру технологической жидкости. В зависимости от требований к качеству поверхности могут применяться абразивные шлифовальные материалы различных характеристик, а также металлические и неметаллические полирующие материалы различной формы и размеров.

Интенсивность виброобработки зависит от следующих основных факторов: амплитуды Аи частотыfколебаний рабочей камеры, длительности цикла обработки, характеристики и размеров гранул шлифовального материала, объема рабочей камеры и степени ее заполнения, механических свойств материала обрабатываемых деталей.

Скорости гранул шлифовального материала могут достигать 0,3...1 м/с, при этом ускорения составляют 20…150 м/с², а силы микроударов 1,5…30 Н.Процесс абразивного микрорезания сопровождается тепловыделением. При этом средняя температура в рабочей камере не превышает 30...40С. Динамическое воздействие шлифовального материала на деталь возрастает с увеличением глубины погружения детали и зависит от расстояния детали до стенок рабочей камеры, параметров вибрацииАиf_к, размеров и плотности обрабатывающих гранул. Поэтому в партии деталей, обработанных в одной рабочей загрузке, могут иметь место неравномерность съема металла и различие качественных характеристик поверхности.

Формирование поверхностного слоя при вибрационной обработке происходит под действием многократно повторяющихся микроударов гранул шлифовального материала, которые вызывают изменение геометрических и физико-механических параметров поверхностного слоя (шероховатости, микротвердости, остаточных напряжений, структуры).

Различают несколько схем обработки деталей вибрационным методом:

– обработка свободно загруженных в камеру деталей;

– обработка тяжелых и крупногабаритных деталей, закрепленных в специальных приспособлениях;

– очистка или полирование длинномерных деталей типа прутков, профилей, проволоки путем медленного перемещения их через окна в стенках рабочей камеры;

– шпиндельная виброотделка.

Шпиндельная виброотделка является новой разновидностью виброобработки, не получившей пока широкого применения в промышленности. Процесс шпиндельной виброотделки деталей, имеющих форму тел вращения (втулок, колец, зубчатых колес), осуществляется путем закрепления их на шпинделе станка и сообщения вращения с погружением в шлифовальный материал рабочей камеры виброустановки (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Схема шпиндельной виброотделки

В шпинделе станка закрепляют оправку 1с обрабатываемыми деталями и погружают в камеру2, получающую вибрации от привода3. Обрабатываемым деталям4, установленным на оправке, сообщают вращение со скоростью от 0,5 до 15 м/с. На шлифовальный материал, находящийся в камере, воздействуют вибрациями с частотойf_к= 25..33 Гц и амплитудойА= 1…5 мм. Вследствие высоких относительных скоростей деталей и шлифовального материала производительность шпиндельной виброобработки в 10...15 раз превышает обычный процесс виброобработки.

В зависимости от характеристики шлифовального материала и режима обработки могут выполняться шлифование и отделка поверхности, удаление заусенцев, скругление и полирование кромок. При этом создаются предпосылки для автоматизации процесса и увеличения производительности отделочных операций в результате многошпиндельной (пакетной) обработки.

Главным движением резания при виброшпиндельной обработке является вращение детали. Осциллирующие движения рабочей камеры делают подвижным шлифовальный материал, уменьшают его плотность, что позволяет свободно погружать в камеру шпиндели с обрабатываемыми деталями.

Шпиндели с закрепленными на них деталями могут располагаться вертикально, горизонтально или под различными углами. Им могут сообщаться как вращательные, так и осциллирующие или качательные движения.

Шпиндельная виброотделка широкого промышленного применения не получила, и в настоящее время имеются сведения о разработке преимущественно лабораторных или опытно-промышленных станков и устройств.

Виброшпиндельная обработка деталей из цветных металлов не обеспечивает высокого качества поверхности, так как появляются отдельные глубокие кратеры, обусловленные ударным воздействием частиц шлифовального материала на быстровращающуюся поверхность деталей, которые сложно устранить даже последующим ручным полированием войлочными кругами. Кроме того, вокруг вращающейся детали формируется своеобразный «свод» частиц шлифовального материала вследствие образования вокруг детали аэродинамического воздушного слоя под действием центробежных сил, возникающих при вращении. Воздушный слой препятствует контакту обрабатываемой поверхности со шлифовальным материалом и дополнительно снижает эффективность финишной обработки.

Центробежно-ротационная обработка поверхностей деталей

Для повышения контактного давления и качественных характеристик обработанных поверхностей деталей стремятся использовать инерционные силы, обеспечивающие прижатие гранул шлифовального материала к обрабатываемым поверхностям и полирование поверхностей сложного профиля.

Центробежно-ротационная обработка основана на формировании тороидального потока шлифовального материала на цилиндрической поверхности неподвижной камеры при вращении ротора в виде тарели с коническими стенками.

В рабочую камеру 1 (рис. 12.4,а) с коническим дном 2, выполненным в виде ротора с возможностью вращения вокруг собственной оси на подшипниковых опорах, загружают шлифовальный мате-риал 3 и обрабатываемые детали 4. При вращении ротора рабочая загрузка уплотняется и приводится во вращательное движение вокруг вертикальной оси таким образом, что, поднимаясь по неподвижной стенке цилиндрической камеры 1,приобретает форму тора. При этом элементы рабочей загрузки будут перемещаться с высокой скоростью по спиральным траекториям. Скорость перемещения деталей и шлифовального материала у стенки уменьшается, и вся масса рабочей загрузки падает вновь к центру ротора, после чего процесс движения повторяется. Обработка осуществляется за счет относительного перемещения поверхностей деталей и прижатых к ним гранул шлифовального материала, так как детали и гранулы шлифовального материала находятся в непрерывном движении с различными относительными скоростями. Давление рабочей среды на детали у стенок камеры, возникающее под действием центробежных сил, в 7…10 раз больше давления, возникающего при вибрационной обработке. Соответственно возрастает и производительность обработки. Обработка происходит при непрерывной промывке обрабатывающей среды технологической жидкостью.

а)б)

Рис. 12.4. Схема центробежно-ротационной обработки деталей: а) в свободном состоянии; б) шпиндельная обработка

Угловую скорость вращения ротора назначают обычно в диапазоне 6...40 рад/с, а величина загрузки рабочей камеры не должна превышать 0,5...0,7 объема.

Большие скорости и давления в тороидально-винтовом потоке, а также наличие зазора между цилиндрической стенкой и вращающимся ротором накладывают определенные ограничения на номенклатуру обрабатываемых деталей и грануляцию шлифовального материала. По этой схеме нельзя обрабатывать мелкие детали, а размеры гранул наполнителя должны быть не менее 4…5 мм.

По производительности центробежно-ротационная обработка превосходит галтовочную обработку до 36 раз, а вибрационную – до 12,5 раз.

При исходной шероховатости Rа= 0,8…1,2 мкм достигается шероховатостьRa= 0,28...0,35 мкм. Дальнейшее снижение шероховатости независимо от длительности обработки не происходит. Формируется однотонная поверхность без выраженных следов обработки.

Для повышения эффективности обработки деталей типа тел вращения обрабатываемые детали 1могут закрепляться на шпинделе 2(рис. 12.4,б).

Для обеспечения погружения вращающейся на шпинделе детали в уплотненный набегающий тороидальный поток должно соблюдаться определенное соотношение между диаметром рабочей камеры dи наружным диаметром обрабатываемой деталиD:d/D 2.

Угловую скорость вращения ротора устанавливают при шпиндельной обработке 80…100 рад/с, а угловую скорость вращения обрабатываемых деталей _д, закрепленных на шпинделе, определяют по соотношению:

где R– наружный радиус детали, м;v– требуемая скорость соударения компонентов рабочей среды с обрабатываемой поверхностью, м/с;K_v – коэффициент, определяющий скорость движения компонентов рабочей среды в тороидально-винтовом потоке (K_v= 15…30).

Наиболее интенсивное снижение шероховатости поверхности происходит в первые 30…40 с обработки. При этом формируется шероховатость с параметрами Ra= 0,4 мкм иRa= 0,8 мкм при исходной шероховатостиRa= 0, 65 мкм иRa = 1,6 мкм соответственно.

Большие трудности при разработке и эксплуатации центробежно-ротационных установок вызывает уплотнение зазора между стенками неподвижной камеры и вращающимся ротором. Различные технические приемы уплотнения зазора для предотвращения попадания абразивных материалов в сопрягаемые поверхности камеры и ротора за счет подачи в зазор рабочей жидкости под давлением или посредством установленных по периметру вращающейся донной части эластичных щеток, например, из капрона, не дают полного решения проблемы. Предпочтительная область применения подобной технологии – отделочная обработка жестких деталей небольших размеров и массы.