Станки и инструмент:
Научно–технический и производственный
журнал №3. – М: Машстрой, 1992, С. 19-21.
В последнее время становятся актуальными вопросы совершенствования методов абразивной доводки и полирования
прецизионных плоских деталей из новых тугоплавких материалов, в том числе конструкционной керамики. Как правило, финишную
обработку плоских прецизионных поверхностей подобных деталей выполняют по методу свободной притирки при силовом замыкании
кинематической пары «инструмент – заготовка» и соприкосновении ее звеньев по поверхности. Так, на полировально-доводочных
станках типа ПД или ШП [1], имеющих поводковый исполнительный механизм (рис.1), ведущее нижнее звено 1 (заготовка) вращается,
а ведомое верхнее 2 (инструмент) совершает вместе с поводком 3 возвратно-поступательное движение подачи относительно нижнего,
а также свободное вращательное движение, обусловленное трением в контакте звеньев 1 и 2. Самоустановка верхнего звена на нижнем
под действием силы Q прижима осуществляется благодаря шаровому шарниру 4, что не препятствует свободному перемещению верхнего
звена. Управление процессом формообразования основано на представлении о линейной зависимости скорости съема материала от
нагрузки на каждом участке заготовки и от относительной скорости звена 1 и 2 на этом же участке [1].
Рисунок 1 – Схема обработки плоской поверхности по методу свободной притирки
Многофункциональность связей между технологическими факторами процесса (к ним относятся угловая скорость свободного
вращения верхнего звена; скорости движения его точек относительно нижнего звена; распределение контактного давления по
обрабатываемой поверхности; момент сил сцепления ведомого и ведущего звеньев; изнашивание каждого из элементарных участков
поверхностей звеньев и т.д.) обуславливает непрерывное изменение формы заготовки и инструмента в процессе их взаимной притирки,
т.е. имеет место не эквидистантный съем припуска. Поэтому формообразование прецизионной плоской поверхности невозможно без
периодического контроля ее формы и соответствующей корректировки настроечных параметров, из-за чего не удается точно прогнозировать
результат обработки.
Решить задачу эквидистантного съема припуска позволяет стабилизация скорости перемещения инструмента относительно заготовки
и времени контактирования, а также обеспечение равномерного распределения давления в зоне контакта заготовки с инструментом [1].
Для стабилизации скорости перемещения инструмента 2 относительно заготовки 1 необходимо и достаточно выполнение следующих
двух условий [2]:
(1)
(2)
где 
и 
– угловые скорости соответственно ведущего (заготовки) и ведомого (инструмента) звеньев;
А(t) – расстояние между осями вращения инструмента и заготовки в функции времени t.
Согласно условию (1) изменение скорости v(t) в любой момент времени должно обеспечивать постоянный модуль векторной
разности между нею и окружной скоростью ведущего звена. Выполнение условия (2) означает мгновенно-поступательное относительное
перемещение звеньев.
Из анализа уравнения динамики движения ведомого звена при полировании или доводке по методу свободной притирки на
полировально-доводочных станках типа ПД или ШП следует, что ни настройкой станка, ни выбором режима обработки обеспечить
стабилизацию скорости относительного движения инструмента и заготовки в зоне их контакта не удается [2]. Эта скорость может
быть стабилизирована в каждый момент времени и в любой точке указанной зоны лишь при условии введения дополнительной
кинематической цепи от шпинделя заготовки к инструменту, которая благодаря своим упругим свойствам не препятствовал бы
подаче инструмента вдоль поверхности заготовки [3].
Такая схема показана на рис. 2. здесь вращение заготовки 2 с угловой скоростью передается посредством упругой
кинематической связи 1 инструменту 3 с передаточным отношением, равным 1, и в том же направлении, но вокруг собственной
оси инструмента, т.е. оси шарнира 4 поводка. Таким образом, вращение инструмента происходит с угловой скоростью заготовки,
т.е. выполняется условие (2). Для выполнения условия (1) необходимо обеспечить вращение заготовки и инструмента с переменной
по времени угловой скоростью:
где 
и 
– угол и угловая скорость качательного движения
поводка в функции времени; 
и к – максимальная и текущая
угловая скорость качательного движения поводка, обеспечивающего возвратно-поступательного движения инструмента.
Рисунок 2 – Схема устройства для стабилизации скорости относительного движения инструмента и заготовки
Учитывая, что угол качения поводка на полировально-доводочных станках рассматриваемого типа изменяется в функции времени
по гармоническому закону, можно в первом приближении стабилизировать относительную скорость инструмента и заготовки при
выполнении определенного условия [4]
Предотвратить возникновение локальных погрешностей формы поверхности, обусловленных периодическим повторением траектории
движения инструмента при его принудительном вращении, можно двумя способами. Во-первых, можно периодически (за каждый оборот
заготовки) осуществлять смещение инструмента относительно поверхности заготовки [5]. Во-вторых, можно обеспечить саморегулируемость
вращения инструмента посредством введения упругой кинематической связи от шпинделя заготовки к вращающемуся поводку.
Для выравнивания контактного давления в рабочей зоне к следует заменить действующую на инструмент пространственную систему
сил (рис. 3, а) центральной (рис. 3, б). Действительно, поскольку в первом случае (рис. 3, а) взаимодействие поводка 3 с
инструментом 2 осуществляется через шаровую опору 4, равнодействующая сил Q и F (соответственно прижима и подачи) приложена к
центру опоры, который не лежит на обрабатываемой поверхности, где действуют элементарные силы p и f (соответственно нормального
давления и сцепления с вращающейся поверхностью заготовки 1).
Рисунок 3 – Схемы шарнирной опоры инструмента при действии на него пространственной (а) и центральной (б) системы сил
Из условия равновесия инструмента как тела, вращающегося в горизонтальной плоскости с постоянной угловой скоростью,
следует, что момент равнодействующей сил трения относительно центра шаровой опоры должен быть уравновешен моментом равнодействующей
элементарных сил нормального давления. Последнее свидетельствует о неравномерном распределении контактного давления. Для его
выравнивания необходимо использовать шаровую опору, радиус р кривизны которой выбирают из условия расположения центра О кривизны
на поверхности обработки (рис. 3, б).
Принудительное вращение полировального или доводочного инструмента следует осуществлять с помощью симметричной упругой
кинематической связи для исключения ее влияния на перераспределение контактного давления. Вместе с тем влияние несимметричности
упругой связи (например, в виде винтовых пружин растяжения; см. рис. 2), а также опрокидывающего момента силы Q прижима (возникающего
при выходе части инструмента за край заготовки) и сил трения между ними на распределение контактного давления может быть устранено
при расположении системы упругих связей в плоскости центра шарнира. При этом величину суммарной реакции упругой связи рассчитывают,
исходя из начала возможных перемещений инструмента под действием приложенных сил и реакции связей, а также их моментов или согласно
теореме о минимуме потенциальной энергии системы сил и реакций связей, действующих на инструмент.
Выравнивание суммарного времени контактирования любого элемента поверхности заготовки с прерывистой поверхностью доводочного
инструмента достигается благодаря тому, что последний имеет концентрические кольцевые выступы, радиусы ограничивающих окружностей
которых выбраны из условия постоянства площадей не заполненных ими зон.
Изложенные выше теоретические положения были экспериментально проверены. Установлено, что при доводке плоских образцов
диаметром 150 мм из кремния и карбида кремния алмазным инструментом на металлоорганической связке по методу свободной притирки
с помощью устройства, обеспечивающего в каждый момент времени стабилизацию относительной скорости и контактного давления в зоне
контакта заготовки и инструмента [5], удалось в течение 240 мин поддерживать исходную плоскостность поверхности заготовки
(отклонение формы 0,25–0,5 мкм) при шероховатости поверхности Rz=0,032-0,037 мкм (на заготовке из кремния), т. е. практически
обеспечить эквидистантный съем материала с обрабатываемой поверхности. При этом глубина дефектного слоя была меньше, чем в случае
доводки свободным абразивом.
Применение связанного абразива позволяет существенно снизить трудоемкость финишной обработки прецизионных плоских поверхностей
в результате сокращения (или даже полного исключении) царапин, а также уменьшения глубины дефектного слон. Кроме того, расход
связанного абразива меньше, чем свободного.
Исследования показали, что интенсификация и стабилизация процессов доводки и полирования при высоком качестве обработанной
поверхности и Rz=0,01 мкм достигается при использовании микропорошков АСМ 2/1, АСМ 1/0, подвергнутых после центрифугирования
дополнительному тонкому фильтрованию для гарантированного отсева как слишком мелких, так и слишком крупных фракций.
На основании выполненных исследований в ИСМ АН УССР (г. Киев) отработаны элементы интенсивной технологии изготовления
прецизионных плоских детален из тугоплавких, в том числе керамических материалов.
Список литературы
- Заказнов Н.П., Горелик В.В. Изготовление асферической оптики. – М.: Машиностроение, 1978. – 248 с.
- Стахнив Н.Е., Сохань С.В. Кинематический и динамический анализ механизма формообразования полировально-доводочного
станка // Теория механизмов и машин: Респ. межвед. науч.-техн. сб. – Харьков: Вища школа, 1987. – Вып. 43. – С. 68–75.
- А. с. 1359099 СССР, МКИ В 24 В 37/04. Устройство для абразивной обработки плоской поверхности.
- Орап А.А., Стахннв Н.Е., Сенченко Е.В., Сохань С.В. Стабилизация относительной скорости на полировально-доводочных
станках // Теория механизмов и машин: Респ. межвед. науч.-техн. сб. – Харьков: Вища школа, 1989. – Вып. 47, – С. 39–42.
- А. с. 1445925, СССР, МКИ В 24 В 37/04. Устройство для обработки плоских поверхностей.
Вверх