Устройство адаптивного управления параметрами качества поверхностного слоя деталей

 

Полезная модель относится к устройствам для производства упрочняюще-чистовой обработки трущихся деталей машин и механизмов и может быть использовано при изготовлении деталей узлов трения машин. Технический результат, создаваемый предлагаемым устройством, состоит в адаптивном управлении процессом поверхностного модифицирования, постоянном контроле за параметрами качеством поверхностного слоя обрабатываемой детали и оперативном изменении технологических режимов обработки, с целью обеспечения стабильных показателей качества поверхностного слоя обработанной детали.

Устройство относится к области машиностроения, в частности, к устройствам, используемым для упрочняюще-чистовой обработки трущихся деталей машин и механизмов и может быть использовано при изготовлении деталей узлов трения машин.

Известен способ чистовой обработки поверхностей деталей из конструкционных сталей, фрикционно-электрическим модифицированием (Машков Ю.К., Эдигаров В.Р., Байбарацкая М.Ю., Овчар З.Н. Комбинированное фрикционно-электрическое модифицирование стальных поверхностей трения // Трение и износ. - 2006. - том 27, 1. - С.89-92), заключающийся в поверхностном пластическом деформировании деталей в условиях трения скольжения под нагрузкой при одновременном пропускании постоянного электрического тока через зону контакта детали и инструмента, кроме того в зону фрикционно-электрического контакта подается композиционный поверхностно-активный модификатор, представляющий собой смесь порошков твердосмазочного материала с поверхностно-активной жидкостью, например, с глицерином.

Предложенное в вышеуказанной работе устройство для комбинированного фрикционно-электрического модифицирования имеет ряд недостатков, снижающие возможный уровень повышения механических и триботехнических свойств поверхностей обрабатываемых деталей. Основными недостатками являются нестабильность процесса упрочнения, выражающаяся в износе рабочего инструмента в процессе обработки, что в свою очередь влияет на качество обрабатываемой поверхности, снижает твердость, износостойкость и другие параметры. Кроме того, в процессе обработки не учитывается влияние нагрева поверхности детали в зонах примыкающим к точке касания инструмента и обрабатываемой поверхности, это важно для тонкостенных и(или) длинных деталей. Также не учитываются изменение технологических режимов в процессе обработки связанные с износом инструмента, постоянным изменением температуры поверхности детали в процессе обработки, нестабильностью процесса обработки и показателей качества обработанных поверхностей. Эти недостатки не позволяют достичь требуемых результатов по увеличению износостойкости и долговечности поверхностей деталей узлов трения машин.

Задачей полезной модели является улучшение качества обрабатываемых поверхностей за счет управления параметрами качества поверхностного слоя постоянной корректировкой значений технологических факторов в процессе обработки с целью стабилизации требуемых параметров качества поверхностного слоя детали.

Поставленная задача решена за счет того, что устройство для обработки детали поверхностно-пластическим деформированием с управлением параметрами качества поверхностного слоя детали, используемое на токарном станке смонтировано на базе токарного станка и включает источник постоянного тока, оправку, обрабатывающий инструмент, пружинную державку, токопроводящие щетки с пружинами, устройство подачи модификатора, блок управления станком (БУ), датчик температуры зоны поверхности около точки соприкосновения инструмента с обрабатываемой деталью (ДТ), датчик контроля изменения усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности (ДР), электрический двигатель компенсации износа поверхности рабочего инструмента (ДвК), датчик измерения шероховатости поверхности после обработки (ДШ), датчик измерения твердости поверхности после обработки (ДТв), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), электронно-вычислительная машина (ПЭВМ), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), сигнальная лампа (Л).

Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг.1). Обрабатываемая деталь 8 устанавливается на оправку 9 и закрепляется на ней шайбой 11 и гайкой 10. Оправка устанавливается в патрон 12 станка 1 (например, токарно-винторезного). Обрабатывающий инструмент 3 устанавливается на пружинной державке 4, которая закрепляется в резцедержателе станка 13, с таким расчетом, чтобы центр радиуса инструмента 3 находился на линии центров токарно-винторезного станка 1. Внутри корпуса пружинной державки устанавливается датчик изменения усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности (ДР) 16, который регистрирует изменение степени сжатия пружины пружинной державки в процессе обработки, т.е. износ рабочего инструмента. Кроме того в корпусе пружинной державки устанавливается электрический двигатель компенсации износа рабочего инструмента (ДвК) 17, который посредством винтовой пары производит поджатие пружины пружинной державки. Источник постоянного тока 2 подключается одним полюсом к токопроводящим щеткам 5 с пружинами 6, изолированным от станка 1 текстолитовой пластиной 7, а вторым полюсом подключается к пружинящей державке 4, корпус которой изолируется от массы станка 1 тремя текстолитовыми пластинами 14, устройство подачи композиционного поверхностно-активного модификатора 15 закрепляется на станине станка, тубус устройства заполняется дисперсным порошком твердой смазки в смеси с поверхностно-активным веществом (ПАВ), через сопло устройства композиционный поверхностно-активный модификатор поступает на поверхность обрабатываемой детали. К корпусу пружинной державки, крепится датчик температуры (ДТ) 18, регистрирующий температуру зоны около точки касания инструмента и обрабатываемой поверхности детали, с целью корректировки силы тока, как основного технологического фактора влияющего на температуру в зоне фрикционно-электрического контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью. В качестве датчика температуры (ДТ) может использоваться, например, фотоэлектрический пирометр с лазерным визированием, который определяет температуру бесконтактным методом. К стойке крепления устройства подачи композиционного поверхностно-активного модификатора, кроме того, прикрепляется датчик шероховатости (ДТП) 20, контролирующий шероховатость поверхности после обработки, и датчик измерения твердости поверхности (ДТв) 19, контролирующий твердость поверхности после обработки. В состав устройства входит блок управления станком (БУ) 25, который управляет работой станка, т.е. регулирует частоту вращения патрона станка 12, регулирует величину продольной подачи инструмента, а также величину усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности с помощью электрического двигателя компенсации износа поверхности рабочего инструмента (ДвК).

В состав устройства, также, входит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21, принимающий сигналы от датчиков и преобразующий эти сигналы в цифровую форму с последующей передачей в электронно-вычислительную машину (ПЭВМ) 22, которая обрабатывает цифровые сигналы и в соответствии с программой определяет значение технологических параметров обработки (например, рабочей силы тока, скорости обработки и т.д.) которые в цифровом виде подаются на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 23, преобразующий цифровые сигналы в аналоговые сигналы управления исполнительными устройствами установки фрикционно-электрического модифицирования (источник постоянного тока 2, блок управления станком 25) и сигнальная лампа 24, сигнализирующая о предельном износе обрабатывающего инструмента.

С целью обеспечения максимальной эффективности работы устройства адаптивного управления параметрами качества поверхностного слоя деталей датчик 18 установлен таким образом, чтобы контролировать температуру поверхности детали на определенном расстоянии d (фиг.1) от точки касания инструмента и обрабатываемой поверхности, где влияние температуры около зоны обработки на суммарную температуру в зоне обработки максимальное. Датчик шероховатости 20 и датчик твердости 19 установлены таким образом, чтобы зоны их контроля были на определенном расстоянии b и с (фиг.1), соответственно, от точки касания инструмента и обрабатываемой поверхности, что позволяет при постоянном контроле параметра шероховатости обработанной поверхности и поверхностной твердости своевременно формировать управляющий сигнал, с помощью ПЭВМ, на изменение технологических режимов с целью корректировки вышеуказанных параметров качества поверхности детали в случае их отличия от предварительно заданных значений для поверхностей обработанной детали. Устройство подачи композиционного поверхностно-активного модификатора 15 установлено таким образом, чтобы место подачи модификатора было на расстоянии а (фиг.1) от точки касания инструмента с обрабатываемой поверхностью, с целью предварительной подачи модификатора на обрабатываемую поверхность.

Работает устройство для обработки детали поверхностно-пластическим деформированием с управлением параметрами качества поверхностного слоя детали, используемое на токарном станке, следующим образом:

Включают станок 1, с помощью блока управления станком 25 устанавливают необходимую скорость вращения патрона 12, величину продольной подачи инструмента, величину прижатия инструмента к обрабатываемой поверхности, что регистрируется датчиком ДР, сигнал с которого поступает в АЦП, а ПЭВМ устанавливает это положение, как нулевую точку положения рабочего инструмента. Сигнал с датчика ДТ также поступает в АЦП, а ПЭВМ производит расчет режимов обработки исходя из начальных условий обработки (нулевого положения инструмента и начальной температуры обрабатываемой поверхности) и заданных требований к параметрам поверхностного слоя после обработки (твердость, шероховатость), которые вводятся в ПЭВМ. Далее регулируют подачу композиционного поверхностно-активного модификатора из тубуса устройства 15 через сопло, установкой требуемого проходного сечения сопла. Одновременно включают источник постоянного тока 2, продольную подачу станка 1 и обрабатывают поверхность детали. В процессе обработки по мере движения обрабатывающего инструмента по поверхности детали происходит износ его рабочей поверхности и соответственно степень прижима инструмента к обрабатываемой поверхности изменяется, что регистрирует датчик ДР. Он выдает сигнал на АЦП, далее сигнал поступает на ПЭВМ, которая произведя расчеты по заранее заданным алгоритмам выдает сигнал на ЦАП, с последующим поступлением сигнала на БУ и включением электрического двигателя компенсации износа рабочего инструмента ДвК на расчетное время, тот посредством винтовой пары производит поджатие пружины пружинной державки, чем компенсируется износ рабочего инструмента. В процессе обработки, также, производится нагрев зоны возле точки касания инструмента с обрабатываемой поверхностью детали за счет перераспределения тепла в поверхностном слое детали от прохождения электрического тока и трения, а также в случае повторной (многократной) обработки поверхности. В результате этого температура поверхности детали через некоторое время обработки будет отличаться от значений в начальный момент обработки на некоторую величину. Эту величину регистрирует датчик ДТ и выдает сигнал на АЦП с последующим формированием управляющего сигнала ПЭВМ через ЦАП на источник постоянного тока 2, по заранее заданному алгоритму, с целью изменения величины тока обработки, как основного фактора, более всего влияющего на температуру в зоне фрикционно-электрического контакта обрабатывающего инструмента и поверхности детали. В процессе обработки сигналы с датчика шероховатости ДШ и датчика твердости ДТв постоянно поступают через АЦП в ПЭВМ, где сравниваются с предварительно заданными значениями шероховатости и твердости обработанных поверхностей. В случае отличия их величины от предварительно заданных ПЭВМ формирует управляющие сигналы на исполнительные элементы устройства, с целью корректировки технологических режимов обработки и получения заданных параметров обработанных поверхностей. Так в случае отличия величины шероховатости поверхности от предварительно заданных ПЭВМ через ЦАП формирует управляющий сигнал на БУ, далее на ДвК и изменяет усилие прижима инструмента к обрабатываемой поверхности, или подает сигнал на БУ станком для увеличения (уменьшения) частоты вращения заготовки или уменьшения (увеличения) величины продольной подачи инструмента. Причем управляющий сигнал может быть комплексным, поступающим и на источник постоянного тока и на БУ (с изменением частоты вращения патрона станка, величина продольной подачи или включением ДвК), величину и знак сигнала устанавливает ПЭВМ по заранее заложенным алгоритмам. Кроме того, в процессе обработки, рабочая поверхность обрабатывающего инструмента в результате трения и воздействия высоких температур изнашивается, что регистрирует датчик контроля изменения усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности, он посылает сигнал через АЦП на ПЭВМ где сигнал сравнивается с заранее заданным значением предельно допустимого износа рабочей поверхности обрабатывающего инструмента и в случае превышения величины износа ПЭВМ выдает сигнал через ЦАП на сигнальную лампу 24, которая загоревшись оповещает оператора о необходимости замены обрабатывающего инструмента.

Устройство для обработки детали поверхностно-пластическим деформированием с управлением параметрами качества поверхностного слоя детали, используемое на токарном станке позволяет повысить качество обрабатываемой поверхности, надежность и ресурс детали в целом за счет постоянного контроля за параметрами качеством поверхностного слоя обрабатываемой детали, оперативного изменения технологических режимов и стабилизации процесса обработки.

Устройство для обработки детали поверхностно-пластическим деформированием с управлением параметрами качества ее поверхностного слоя, используемое на токарном станке, содержащее оправку для установки обрабатываемой детали, обрабатывающий инструмент, установленный на пружинной державке, выполненной с корпусом, источник постоянного тока и токопроводящие щетки с пружинами для пропускания постоянного электрического тока через зону контакта детали и обрабатывающего инструмента, закрепленное на стойке устройство подачи в зону фрикционно-электрического контакта композиционного поверхностно-активного модификатора, электрический двигатель поджатия пружины пружинной державки для компенсации износа поверхности обрабатывающего инструмента, датчик контроля изменения усилия прижима обрабатывающего инструмента к обрабатываемой поверхности, установленные в корпусе пружинной державки, датчик контроля температуры зоны поверхности детали около точки соприкосновения инструмента с обрабатываемой деталью, установленный на корпусе пружинной державки, отличающееся тем, что оно снабжено закрепленным на станине токарного станка блоком управления частотой вращения обрабатываемой детали, величиной подачи обрабатывающего инструмента и величиной усилия прижима обрабатывающего инструмента к обрабатываемой поверхности, датчиком измерения шероховатости поверхности после обработки и датчиком измерения твердости поверхности после обработки, установленными на стойке крепления устройства подачи поверхностно-активного модификатора, аналого-цифровым преобразователем, электронно-вычислительной машиной, цифроаналоговым преобразователем и сигнальной лампой, закрепленной на токарном станке, при этом все датчики через аналого-цифровой преобразователь соединены с электронно-вычислительной машиной, которая через цифроаналоговый преобразователь соединена с упомянутым блоком управления, источником постоянного тока и сигнальной лампой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов и может быть использовано при обработке резанием деталей машин на металлорежущих станках с устройством числового программного управления (УЧПУ) класса PCNC
Наверх