PL B1. Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie,Szczecin,PL BUP 25/04

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. B23P 9/00 ( ) B24B 39/06 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Głowica do tocznego nagniatania powierzchni, zwłaszcza powierzchni złożonych (73) Uprawniony z patentu: Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie,Szczecin,PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 25/04 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 03/10 (72) Twórca(y) wynalazku: Wiesław Olszak,Szczecin,PL Tomasz Bieńkowski,Stargard Szczeciński,PL (74) Pełnomocnik: Zawadzka Renata, Rzecznik Patentowy, Dział Wynalazczości i Ochrony Patentowej, Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest głowica do tocznego nagniatania powierzchni, zwłaszcza powierzchni złożonych, przeznaczona do stosowania na frezarkach i centrach obróbczych. Znane głowice do tocznego nagniatania powierzchni na frezarkach, przeznaczone są na ogół do nagniatania powierzchni płaskich. Znana jest głowica ze sztywnym dociskiem, którą mocuje się na stożku korpusu we wrzecionie frezarki. Elementy nagniatające w postaci kulek, podtrzymywane w obracającym się na łożysku tocznym koszyku rozmieszczone są na okręgu, na stronie czołowej głowicy. Kulki toczą się po twardej, pierścieniowej bieżni, pod wpływem sił tarcia. Jednocześnie obracają się wokół własnej osi oraz wykonują wskutek posuwu, złożony ruch unoszenia względem przedmiotu. Znana jest głowica ze sprężystym dociskiem, której korpus składa się z części chwytowej i części roboczej w postaci suwliwej tulei, na której czołowej powierzchni umieszczony jest pierścień bieżni kulek nagniatających. Tuleja dociskana jest do kulek i przedmiotu obrabianego sprężyną talerzową. Przeniesienie napędu na tuleję odbywa się za pośrednictwem wpustu. Napęd kulek realizowany jest przez siły tarcia pomiędzy bieżnią i kulkami. Kulki w koszyku osadzone są z luzem, a zatem ich zetknięcie z bieżnią następuje dopiero w czasie pracy głowicy, co jest przyczyną jej hałaśliwej pracy. W znanych konstrukcjach rozróżnia się głowice z dociskiem sztywnym oraz z dociskiem sprężystym realizowanym przez sprężynowe układy dociskowe. Stosowane w głowicach sprężynowe układy dociskowe, ograniczające sumaryczną siłę nagniatania, charakteryzują się małą sztywnością co obok podatności innych elementów układu obrabiarka-uchwyt-przedmiot -narzędzie, jest powodem powstawania błędów płaskości nagniatanych powierzchni. Znana z polskiego zgłoszenia patentowego P głowica do tocznego nagniatania płaszczyzn ma obrotową, osiową bieżnię tocznych elementów nagniatających. Pierścień bieżni ma kształt w przekroju poprzecznym zbliżony do litery L, której krótsze ramię jest położone od strony osi głowicy i styka się zewnętrzną powierzchnią z igiełkami łożyska promieniowego, współosiowego z korpusem głowicy. Dłuższe ramię pierścienia stanowi bieżnię osiową która współpracuje z elementami nagniatającymi w postaci baryłkowych rolek, umieszczonych w koszyku. Zewnętrzna powierzchnia bieżni osiowej styka się z igiełkami łożyska osiowego, współosiowego z korpusem głowicy. Koszyk elementów nagniatających jest połączony z korpusem głowicy na sztywno co powoduje, że koszyk obraca się razem z korpusem głowicy i napędza elementy nagniatające. Głowica jest wyposażona w urządzenie dociskowe służące do likwidacji luzów w łożyskach osiowych, które ma postać sprężyn śrubowych umieszczonych w tulejkach połączonych z koszykiem i osadzonych ruchowo w korpusie. Od spodu koszyka są przymocowane wkrętami sprężyny płaskie, które zapewniają utrzymanie elementów nagniatających w stałym kontakcie z bieżnią. Rolki nagniatające są napędzane przez koszyk, a bieżnia po której toczą się rolki obraca się względem korpusu, co gwarantuje toczenie się bez poślizgu elementów nagniatających zarówno po powierzchni obrabianej jak i po bieżni. Głowica umożliwia nagniatanie powierzchni płaskich i przeznaczona jest do pracy na frezarkach. Głowica według wynalazku wyróżnia się tym, że ma dwie bieżnie obrotowe tocznych elementów nagniatających, jedną bieżnię osiową i drugą bieżnię promieniową, zaś elementami nagniatającymi są kulki osadzone w gniazdach pierścieniowego koszyka, korzystnie o budowie monolitycznej, przymocowanego na sztywno do korpusu głowicy. Gniazda osadcze kulek w części górnej mają powierzchnię w kształcie walca, zaś powierzchnia części dolnej ma kształt kulistej czaszy. Powierzchnie walcowe gniazd i czasze kuliste przenikając się z innymi powierzchniami koszyka tworzą okna umożliwiające styk kulek nagniatających z obydwiema bieżniami, osiową i promieniową, a także z przedmiotem obrabianym. Kulki nagniatające są napędzane przez koszyk, a obydwie bieżnie po których toczą się kulki obracają się względem korpusu, co gwarantuje toczenie się bez poślizgu elementów nagniatających zarówno po powierzchni obrabianej jak i po bieżniach. Powierzchnia działania narzędzia jest torusem, a zatem umożliwia nagniatanie złożonych powierzchni przestrzennych. Dla umożliwienia dokładnego pozycjonowania narzędzia na obrabiarce głowica ma urządzenie do kasowania luzów promieniowych i osiowych pomiędzy kulkami nagniatającymi a obydwiema bieżniami, osiową i promieniową. Urządzenie to składa się z trzpieniowych docisków, usytuowanych parami w otworach wykonanych w koszyku, łączących ze sobą sąsiednie gniazda oraz sprężyn śrubowych umieszczonych pomiędzy dociskami. Końcówki docisków stykają się z kulkami nagniatającymi i wywierają na nie siły, których składowe osiowe równoważą siłę ciężkości ruchomych części łożyska osiowego i kulek nagniatających. Każda kulka nagniatająca jest poddawana działaniu dwóch docisków. W innej wersji, koszyk wykonany jest ze sprężystego tworzywa sztucznego, przy czym środki czasz kulistych gniazd znajdują się

3 PL B1 3 bliżej powierzchni bieżni osiowej niż środki kulek i na średnicy mniejszej niż średnica podziałowa kulek. Takie relacje wymiarów powodują sprężyste odkształcenia brzegów gniazd kulek w koszyku. Elastyczność materiału koszyka zapewnia sprężysty docisk kulek do bieżni promieniowej i zrównoważenie sił ciężkości kulek i ruchowych części łożyska osiowego. Głowica według wynalazku umożliwia nagniatanie powierzchni kształtowych przestrzennych i powierzchni płaskich. Ma to duże znaczenie szczególnie tam, gdzie powierzchnie o skomplikowanych przestrzennych kształtach muszą być gładkie jak na przykład powierzchnie metalowych form odlewniczych czy form wtryskowych, tłoczników i matryc kuźniczych. Głowica według wynalazku umożliwia nagniatanie złożonych powierzchni przestrzennych, co daje w efekcie znaczne zmniejszenie chropowatości i utwardzenie przez zgniot powierzchniowy. Nagniatanie tym narzędziem jest zabiegiem następującym po frezowaniu na tej samej obrabiarce w tej samej operacji, co jest źródłem oszczędności Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie realizacji i na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia głowicę w widoku aksonometrycznym, fig. 2 przedstawia drugą wersję konstrukcyjną głowicy. Fig. 3 przedstawia fragment czołowy głowicy z fig. 1 w przekroju podłużnym i częściowo w widoku, fig. 4 przedstawia głowicę z fig. 1 w widoku od czoła, fig. 5 przedstawia koszyk mocujący kulki nagniatające, w widoku aksonometrycznym, fig. 6 przedstawia trzpień dociskowy kulek, fig. 7 przedstawia w widoku aksonometrycznym odmianę konstrukcyjną koszyka, wykonanego z materiału elastycznego, fig. 8 przedstawia w przekroju podłużnym fragment bieżni osiowej i fragment koszyka z materiału elastycznego z kulką nagniatająca, fig. 9 przedstawia w widoku z góry fragment bieżni promieniowej i fragment koszyka z materiału elastycznego z kulką nagniatająca fig. 10 przedstawia schematycznie prędkości charakterystycznych punktów kulek nagniatających oraz bieżni podczas pracy głowicy. P r z y k ł a d I Głowica ma korpus 1 zakończony chwytem stożkowym lub gniazdem osadczym. Z korpusem 1 połączony jest sztywno pierścieniowy koszyk 3, wkrętami 2 i elementem zabierakowym 12 w postaci kołka, przenoszącym moment nagniatania. Koszyk 3 ma kształt pierścienia z trzema gniazdami 4 utworzonymi przez powierzchnie walcowe 4a w części górnej i czasze kuliste 4b w części dolnej. W gniazdach 4 koszyka 3 umieszczone są elementy nagniatające w kształcie kulek nagniatających 5. Korpus 1 ma od strony roboczej kształt trzystopniowego wałka, którego pierwszy stopień o średnicy najmniejszej znajduje się na czole głowicy, zaś jego powierzchnia obwodowa stanowi bieżnię wewnętrzną łożyska promieniowego, zawierającego igiełki 6 współpracujące z bieżnią promieniową 7, po której toczą się kulki nagniatające 5. Kontakt kulek z bieżnią promieniową umożliwiają otwory promieniowe 8 w ściankach wewnętrznych gniazd 4 koszyka 3. Powyżej koszyka 3, na korpusie 1 osadzone jest igiełkowe łożysko osiowe, którego obrotowa bieżnia 9 współpracuje z osiowym złożeniem igiełkowym 10, które z drugiej strony współpracuje z bieżnią osiową stałą połączoną na wcisk z korpusem 1. Na zewnątrz łożyska osiowego znajduje się tulejowa osłona 11. Koszyk 3 jest współosiowy z korpusem 1 i ma budowę monolityczną. Czasze kuliste 4b gniazd 4 zapobiegają wypadnięciu kulek w kierunku osiowym i promieniowym. Powierzchnie walcowe i czasze kuliste gniazd 4 przenikając się z innymi powierzchniami koszyka tworzą okna umożliwiające styk kulek z obydwiema bieżniami, bieżnią promieniową 7 i bieżnią osiową 9, a także z przedmiotem obrabianym. Koszyk 3 ma przelotowe otwory 13, łączące ze sobą po dwa sąsiednie gniazda 4. W otworach tych są umieszczone pary obrotowo pasowanych docisków 14 rozpieranych sprężynami śrubowymi 15. Dociski 14 mają postać trzpieni, których końcówki 19 stykają się z kulkami nagniatającymi 5, a drugie końce stykają się ze sprężyną 15. Każda kulka nagniatająca 5 jest poddawana działaniu dwóch docisków 14. Wektorowe sumy sił składowych, promieniowych i osiowych, wywieranych przez dociski 14 na kulki nagniatające 5 likwidują luzy osiowe i promieniowe między kulkami i bieżniami. Wypadkowa siła osiowa od wszystkich docisków jest większa od siły ciężkości ruchomych części łożyska osiowego i kulek nagniatających. Zapewniają to odpowiednio dobrane punkty styku docisków z kulkami nagniatającymi oraz odpowiednio dobrane charakterystyki sprężyn 15. Wymiary końcówek 19, docisków 14 oraz wymiary określające położenie otworów 13 w koszyku 3 dobierane są tak, aby punkty styku końcówki z kulką 5 leżały możliwie daleko od środka kulki w kierunku czoła i średnicy zewnętrznej głowicy. Do czoła korpusu 1 jest przymocowana śrubą 18 osłona 17 łożyska promieniowego. Głowicę mocuje się na wrzecionie frezarki pionowej. Moment napędzający przenoszony jest z korpusu 1 przez element zabierakowy 12 na koszyk 3, a ten z kolei napędza kulki nagniatające 5. Kulki nagniatające 5 dzięki siłom wywieranym przez dociski 14 pozostają w stałym kontakcie z bieżnią obrotową promieniową 7 i bieżnią obrotową osiową 9. Głowica zamocowana we wrzecionie

4 4 PL B1 frezarki obraca się z prędkością n. Kulki nagniatające o średnicy d k umieszczone są w gniazdach koszyka sztywno związanego z korpusem głowicy. Prędkość obwodowa v o środków kulek jest znaną funkcją prędkości obrotowej n i średnicy podziałowej D o kulek nagniatających 5. Obrót kulki toczącej się po nagniatanej powierzchni odbywa się w płaszczyźnie wyznaczonej przez wektor prędkości v o i punkt styku z przedmiotem obrabianym S, w którym styczna do powierzchni obrabianej tworzy z osią narzędzia kąt α. W ruchu tym każdy punkt kulki zakreśla inny tor cykloidalny. Na fig. 10 przedstawiono schematycznie wektory prędkości czterech charakterystycznych punktów: S, O, A, B - gdzie A i B są punktami styku kulki z bieżniami: osiową i promieniową, punkt O oznacza środek kulki, punkt S oznacza punkt styku kulki z powierzchnią przedmiotu obrabianego. Prędkości obwodowe v i prędkości obrotowe n w tych punktach wyznacza się z zależności: v A = v o (1 + sinα) (1) v B = v o (1 + cosα) (2) n A = n (1 + sinα) (3) Do n ( 1+ cosα ) nb = (4) D d o k Gdzie: v o - prędkość obwodowa środka kulki, v A - prędkość obwodowa punktu A styku kulki z bieżną osiową, v B - prędkość obwodowa punktu B styku kulki z bieżnią promieniową n A - prędkość obrotowa bieżni osiowej, n B - prędkość obrotowa bieżni promieniowej. Jak wynika z powyższych zależności, aby kulki toczyły się bez poślizgu zarówno po nagniatanej powierzchni przestrzennej jak i po bieżniach - obie bieżnie kulek (osiowa i promieniowa) muszą być obrotowe względem korpusu głowicy. Przed rozpoczęciem nagniatania konieczne jest dokładne określenie położenia charakterystycznych punktów narzędzia. Na obrabiarkach sterowanych numerycznie odbywa się to przy użyciu sond pomiarowych. Dokładność pozycjonowania narzędzia wymaga likwidacji luzów osiowych i promieniowych. Konstrukcja głowicy według wynalazku zapewnia likwidację luzów osiowych i minimalizację luzów promieniowych do wartości kilku mikrometrów. Na każdą kulkę nagniatającą 5 działają symetryczne siły wywierane przez dwa dociski 14. Wypadkowa tych sił F NKi działa na kulkę w płaszczyźnie przekroju osiowego głowicy i rozkłada się na składowe: osiową F Ai i promieniową F Ri. Składowe promieniowe dociskają kulki do bieżni promieniowej 7, likwidując luz między kulkami i bieżnią. Wektorowa suma tych składowych jest równa zeru k i = 1 F = 0 (1) Ri Nie spowoduje to likwidacji luzów w promieniowym łożysku tocznym. Jednak luzy te można utrzymać na poziomie kilku mikrometrów, co nie powoduje znaczących błędów pozycjonowania narzędzia. Działające w jednym kierunku składowe osiowe F Ai sumują się. Warunkiem wygubienia luzów osiowych jest zrównoważenie sumy sił ciężkości wszystkich kulek 5, obrotowej bieżni osiowej 9 oraz złożenia igiełkowego 10, co ilustruje wzór: k F AΣ = FAi k Qk + QA + Qz. ig i = 1 (2) Gdzie: F Ai - osiowa składowa sił wywieranych na jedną kulkę przez dwa dociski; K - liczba kulek; Q k - ciężar jednej kulki; Q A - ciężar obrotowej bieżni osiowej 9; Q z.ig - ciężar złożenia igiełkowego 10. P r z y k ł a d II Rozwiązanie analogiczne do przykładu I, przy czym koszyk 3' ma kształt monolitycznego pierścienia i wykonany jest z elastycznego tworzywa sztucznego. Koszyk przymocowany jest do korpusu 1 wkrętami 2 i połączony jest z nim elementem zabierakowym 12 w postaci kołka. Koszyk T ma na obwodzie sześć jednakowych gniazd 4, a każde gniazdo ma powierzchnię walcową 4a i czaszę kulistą 4b. W gniazdach 4 umieszczone są kulki nagniatające 5. Na ścianach wewnętrznych gniazd 4 są przelo-

5 PL B1 5 towe otwory promieniowe 8, przez które kulki kontaktują się z tą bieżnią promieniową 7. Sześć gniazd walcowo kulistych 4 wykonuje się tak, że środki czasz kulistych 4b względem środków kulek 5 położone są bliżej powierzchni bieżni osiowej 9. dk H gn < (3) 2 i na średnicy D gn mniejszej niż średnica podziałowa kulek D o D gn < D o =D B + d k (4) Średnice gniazd kulek są oczywiście większe od średnicy kulek: D gn > d k (5) Przy takich relacjach wymiarów, po przykręceniu koszyka 3' do korpusu 1 osadzone w koszyku kulki odkształcają sprężyście obrzeża 16 gniazd koszyka. Powstałe siły sprężystości dociskają kulki do bieżni promieniowej 7 i osiowej 9 i spełniają warunki określone przez zależności (1) i (2). Głowica według wynalazku może mieć zastosowanie przy obróbce powierzchni płaskich i złożonych przestrzennych, zwłaszcza w takich urządzeń jak tłoczniki, matryce kuźnicze, metalowe formy odlewnicze, formy wtryskowe. Zastrzeżenia patentowe 1. Głowica do tocznego nagniatania powierzchni, zwłaszcza powierzchni złożonych zawierająca korpus i współosiową z korpusem obrotową bieżnię osiową tocznych elementów nagniatających, rozmieszczonych w koszyku połączonym sztywno z korpusem, wyposażona w dociski elementów nagniatających, znamienna tym, że ma oprócz obrotowej bieżni osiowej (9) drugą bieżnię obrotową którą jest bieżnia promieniowa (7) usytuowana na korpusie (1), wewnątrz koszyka (3), zaś elementy nagniatające mają postać kulek nagniatających (5). 2. Głowica według zastrz. 1, znamienna tym, że bieżnię promieniową (7) stanowi pierścień zewnętrzny łożyska tocznego promieniowego, którego bieżnią wewnętrzną jest powierzchnia korpusu (1) głowicy, zaś bieżnię osiową (9) stanowi pierścień zewnętrzny łożyska osiowego zawierającego złożenie igiełkowe (10) i bieżnię stałą połączoną z korpusem (1). 3. Głowica według zastrz. 1, znamienna tym, że koszyk (3) ma kształt pierścienia o budowie monolitycznej, z gniazdami (4) w których są kulki nagniatające (5), przy czym gniazda (4) w części górnej mają powierzchnię walcową (4a), a w części dolnej mają kształt czaszy kulistej (4b). 4. Głowica według zastrz. 3, znamienna tym, że koszyk (3) ma otwory przelotowe (13), łączące ze sobą sąsiednie gniazda (4), w których to otworach są umieszczone pary obrotowo pasowanych docisków (14) pomiędzy którymi są sprężyny śrubowe (15). 5. Głowica według zastrz. 3, znamienna tym, że koszyk (3') jest wykonany z elastycznego tworzywa sztucznego, przy czym odległość (Hgn) środków czasz kulistych (4b) od powierzchni obrotowej bieżni osiowej (9) jest mniejsza od promienia kulki nagniatającej (5) a środki gniazd położone są na średnicy (Dgn) mniejszej od średnicy podziałowej kulek (Do).

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.