(12) OPIS PATENTOWY PL B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (21) Numer zgłoszenia: (51) IntCl5: B23G 1/38 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54)Sposób szlifowania dokładnych powierzchni śrubowych, zwłaszcza długich gwintów (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 01/90 (73) Uprawniony z patentu: Wyższa Szkoła Inżynierska, Koszalin, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/93 (72) Twórcy wynalazku: Wojciech Kacalak, Koszalin, PL Andrzej Lubiński, Wuppertal, DE PL B1 1. Sposób szlifow ania dokładnych pow ierzchni śrubow ych, zw łaszcza długich gw intów, w którym przed- (5 7 ) m iot szlifow any m ocuje się z obu stron w kłach, a szlifow anie prow adzi się w kierunku od konika d o w rzeciennika przedm iotu, znamienny tym, że w pierw szym przejściu przem ieszcza się stopniow o kieł konika (3) zgodnie z wydłużeniem przedm iotu szlifow anego na skutek nagrzew ania, korzystnie utrzym ując stałą siłę zam ocow an ia, po czym określa się wydłużenie ( ΔI) przedm iotu szlifow a- nego, a przed każdym następnym przejściem pow oduje się takie początkow e przem ieszczenie o siow e przedm iotu szlifow anego zam ocow an ego w kłach, w kierunku wrzeciennika przedm iotu, o wartość odpow iadającą w ydłużeniu (ΔI, ΔII) w poprzednich przejściach, dla której różnica m iędzy nom inalnym i rzeczywistym położeniem krańcow ego przekroju od strony kła konika (3), będącego początkiem obszaru obróbki, zm niejszona zostanie do wartości bliskiej zera, a następnie w czasie kolejnego przejścia, wraz z przesuwaniem się ściernicy (7) w kierunku od konika do wrzeciennika przedm iotu przem ieszcza się stop niow o przedm iot szlifow any w zdłuż osi kłów w kierunku konika, przem ieszczając w tym sam ym kierunku kieł konika (3) i zm niejszając początkow e przem ieszczenie przedm iotu szlifow anego do wartości m inim alnej bliskiej zera i korzystnie dalej aż do uzyskania nom inalnego położenia kła w rzeciennika przedm iotu (2) w zględem ściernicy a jednocześnie przem ieszczenie to uzależnia się od położenia (x 1) ściernicy w jej ruchu wzdłuż osi przedm iotu szlifow anego, korzystnie w edług funkcji określonej eksperym entalnie. Fig.3

2 Sposób szlifowania dokładnych powierzchni śrubowych, zwłaszcza długich gwintów Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób szlifowania dokładnych powierzchni śrubowych, zwłaszcza długich gwintów, w którym przedmiot szlifowany mocuje się z obu stron w kłach, a szlifowanie prowadzi się w kierunku od konika do wrzeciennika przedmiotu, znamienny tym, że w pierwszym przejściu przemieszcza się stopniowo kieł konika (3) zgodnie z wydłużeniem przedmiotu szlifowanego na skutek nagrzewania, korzystnie utrzymując stałą siłę zamocowania, po czym określa się wydłużenie (ΔI) przedmiotu szlifowanego, a przed każdym następnym przejściem powoduje się takie początkowe przemieszczenie osiowe przedmiotu szlifowanego zamocowanego w kłach, w kierunku wrzeciennika przedmiotu, o wartość odpowiadającą wydłużeniu (ΔI, ΔII) w poprzednich przejściach, dla której różnica między nominalnym i rzeczywistym położeniem krańcowego przekroju od strony kła konika (3), będącego początkiem obszaru obróbki, zmniejszona zostanie do wartości bliskiej zera, a następnie w czasie kolejnego przejścia, wraz z przesuwaniem się ściernicy (7) w kierunku od konika do wrzeciennika przedmiotu przemieszcza się stopniowo przedmiot szlifowany wzdłuż osi kłów w kierunku konika, przemieszczając w tym samym kierunku kieł konika (3) i zmniejszając początkowe przemieszczenie przedmiotu szlifowanego do wartości minimalnej bliskiej zera i korzystnie dalej aż do uzyskania nominalnego położenia kła wrzeciennika przedmiotu (2) względem ściernicy a jednocześnie przemieszczenie to uzależnia się od położenia (x1) ściernicy w jej ruchu wzdłuż osi przedmiotu szlifowanego, korzystnie według funkcji określonej eksperymentalnie. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wydłużenie przedmiotu szlifowanego zamocowanego w kłach określa się eksperymentalnie po każdym przejściu ściernicy (7). 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wydłużenie przedmiotu szlifowanego zamocowanego w kłach określa się analitycznie przez wyznaczanie w każdym przejściu ściernicy (7) średniej temperatury tego przedmiotu. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przesunięcia osiowego przedmiotu szlifowanego podczas obróbki dokonuje się poprzez regulację stosunku podatności osiowej kła wrzeciennika (2) do kła konika (3) od wartości nie większej niż 5 do wartości nie mniejszej niż 0,1. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przesunięcia osiowego przedmiotu szlifowanego dokonuje się poprzez przyłożenie sił zewnętrznych, wywołujących niewielkie sprężyste odkształcenia układu zamocowania kła wrzeciennika (2) przedmiotu oraz układu zamocowania kła konika (3). * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób szlifowania dokładnych powierzchni śrubowych, od których wymaga się małych odchyłek skoku, zwłaszcza gwintów śrub lub ślimaków o dużej długości i stosunku średnicy rdzenia do długości przedmiotu korzystnie większym od 0,025. Sposób szlifowania według wynalazku przewidziany jest do stosowania w produkcji dokładnych układów kinematycznych i pozycjonujących obrabiarek i różnorodnych urządzeń zawierających pary kinematyczne śruba - nakrętka lub przekładnie ślimakowe. Znany jest sposób szlifowania powierzchni śrubowych ślimaków i śrub, w którym przedmiot lewym nakiełkiem opiera się o kieł umieszczony we wrzecionie wrzeciennika przedmiotu, a do prawego nakiełka dosuwa się kieł umieszczony w przesuwnej tulei konika, przy czym dosunięcie może być ręczne lub zmechanizowane. Po dosunięciu kła konika następuje zablokowanie jego położenia względem konika, czyli odebranie tulei i kłu konika możliwości osiowego przesuwania się. Skutkiem tego odległość między kłami wrzeciennika przedmiotu i konika podczas trwania o p e racji szlifowania przyjmuje się za niezmienną, choć w rzeczywistości nagrzewanie obrabianego przedmiotu, powodując jego wydłużenie, przyczynia się do odkształceń obrabiarki.

3 Wśród przyczyn odchyłek skoku, takich jak: bicie osiowe wrzeciona przedmiotu i bicie osiowe śruby pociągowej, odkształcenia mechaniczne i cieplne śruby pociągowej, odkształcenia mechaniczne szlifierki do gwintów, znaczną, a w wielu wypadkach dominującą rolę odgrywają odkształcenia cieplne przedmiotu. Polegają one na wydłużeniu szlifowanego ślimaka lub śruby i powodują odkształcenie obrabiarki, którego wynikiem są przesunięcia kłów wrzeciennika przedmiotu i konika. Z analizy rozkładów tem peratur wzdłuż osi (w rdzeniu szlifowanej śruby) wynika, że wydłużenia cieplne przedmiotu, zmienne z upływem czasu szlifowania i zależne od położenia ściernicy z jej ruchu względem wzdłuż osi obrabianego przedmiotu, mogą być przyczyną znacznych odchyłek skoku, przekraczających znacznie kilkanaście mikrometrów w przedmiotach o długości powyżej 500 mm. W dokładnych ślimakach i gwintach nie dopuszcza się tak dużych odchyłek skoku. Zmniejszenie zatem geometrycznych skutków odkształceń cieplnych szlifowanego przedmiotu jest problemem bardzo w ażnym dla jakości obróbki. Celem wynalazku jest zwiększenie dokładności obróbki, polegające na zmniejszeniu odchyłek skoku szlifowanych powierzchni śrubowych, wywoływanych przez cieplne wydłużenie szlifowanego przedm iotu, zamocowanego w kłach szlifierki. Sposób szlifowania według wynalazku prowadzi się w kierunku od konika do wrzeciennika tak, że w pierwszym przejściu przemieszcza się stopniowo kieł konika zgodnie z wydłużeniem się przedm iotu szlifowanego na skutek nagrzewania, tak aby kieł wrzeciennika nie został przemieszczony na skutek odkształcenia cieplnego przedmiotu szlifowanego, po czym określa się jego wydłużenie. Korzystny sposób polega na utrzymaniu stałej siły zamocowania przez kieł konika. Przed każdym następnym przejściem powoduje się takie początkowe przemieszczenie osiowe przedmiotu szlifowanego zamocowanego w kłach, w kierunku wrzeciennika przedmiotu, o wartość odpowiadającą sumie wydłużeń w poprzednich przejściach, dla której różnica między nominalnym i rzeczywistym położeniem krańcowego przekroju szlifowanego przedmiotu od strony konika, będącego początkiem obszaru obróbki, zmniejszona zostanie do wartości bliskiej zera. Następnie w czasie kolejnego przejścia, wraz z przesuwaniem się ściernicy w kierunku od konika do wrzeciennika przedmiotu, przemieszcza się stopniowo przedmiot szlifowany wzdłuż osi kłów w kierunku konika, przemieszczając w tym samym kierunku kieł konika i zmniejszając początkow e przemieszczenie przedmiotu szlifowanego do wartości minimalnej bliskiej zera. Korzystnym jest gdy przemieszczanie kontynuje się dalej aż do uzyskania nominalnego położenia kła wrzeciennika względem ściernicy, ponieważ w trakcie przejścia ściernicy następuje dodatkowe wydłużenie przedm iotu na skutek nagrzewania. W artość przemieszczania w trakcie przejścia ściernicy uzależnia się od jej położenia wzdłuż osi przedmiotu szlifowanego, najkorzystniej według funkcji określonej eksperymentalnie. Jeden z korzystnych sposobów według wynalazku polega na tym, że wydłużenie przedmiotu szlifowanego zamocowanego w kłach określa się eksperymentalnie po każdym przejściu ściernicy. W drugim korzystnym sposobie, wydłużenie przedmiotu szlifowanego zamocowanego w kłach, określa się analitycznie przez wyznaczenie w każdym przejściu ściernicy średniej tem peratury tego przedmiotu. Korzystna cecha sposobu polega również na tym, że przesunięcia osiowego przedmiotu szlifowanego podczas obróbki dokonuje się poprzez regulację stosunku podatności osiowej kła wrzeciennika do kła konika od wartości nie większej niż 5 do wartości nie mniejszej niż 0,1. Inny sposób polega na tym, że przesunięcia osiowego przedmiotu szlifowanego dokonuje się poprzez przyłożenie sił zewnętrznych, wywołujących niewielkie sprężyste odkształcenia układu zamocowania kła wrzeciennika przedmiotu oraz układu zamocowania kła konika. Sposób szlifowania według wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje wpływ wydłużenia cieplnego przedmiotu szlifowanego na rzeczywiste położenia rozpatrywanego przekroju względem położenia nominalnego, fig. 2 - różnice przemieszczeń dwóch oddalonych od siebie przekrojów, fig. 3 - rozkład wartości różnicy położeń przekroju nominalnego i rzeczywistego w pierwszym przejściu, w funkcji położenia przekroju szlifowanego, fig. 4 - rozkład przemieszczeń kłów wrzeciennika przedm iotu i konika w funkcji położenia przekroju szlifowanego, a fig. 5 - schemat przemieszczania przedmiotu szlifowanego według sposobu w kolejnych przejściach ściernicy.

4 Rozpatrując dowolny przekrój poprzecznych (fig. 1) szlifowanej powierzchni śrubowej, leżący między kłem wrzeciennika przedmiotu 2 z lewej strony, a kłem konika 3 z prawej strony, stwierdza się, że w wyniku cieplnego wydłużenia przedmiotu, położenie rzeczywiste 4 rozpatrywanego przekroju różni się od położenia nominalnego 1. Różnice położeń 5, 5a, 5b rzeczywistych i nominalnych rozpatrywanego przekroju nie są jednakowe dla dowolnie wybranych przekrojów. Są tym większe im bardziej oddalone od siebie są rozpatrywane przekroje. Różnice te mogą się różnić również znakiem, czyli kierunkiem przemieszczenia 6 z położenia nominalnego do rzeczywistego, co zilustrowano na rysunku fig. 2 dla dwóch przekrojów o położeniach nominalnych la i lb i odpowiadających im położeniach rzeczywistych 4a i 4b. Wydłużenie cieplne przedmiotu jest przyczyną odkształcenia obrabiarki, polegającego na zwiększeniu odległości kłów oraz pewnego, na ogół małego, a w przypadku przedmiotów o dużej sztywności w kierunku osiowym nawet pom ij alnie małego sprężystego skrócenia przedmiotu. Wyniki szczegółowych analiz wskazują, że w pierwszym przejściu wartość różnicy położeń nominalnego i rzeczywistego tego przekroju, w których aktualnie odbywa się szlifowanie (kształtowanie powierzchni śrubowej) zmienia się od zera do pewnej wartości maksymalnej, co następuje wraz z przesuwaniem się strefy szlifowania od prawego do lewego końca przedmiotu (fig. 3). Maksymalna wartość różnicy Δ max zależy od przemieszczania osiowego (przesunięcia w lewo) kła zamocowanego we wrzecionie przedmiotu, a to przemieszczenie zależy z kolei od wydłużenia cieplnego przedmiotu oraz relacji między sztywnością osiową konika i wrzeciennika przedmiotu, czyli od tego w jakiej proporcji wydłużenie cieplne przedmiotu będzie się składać z odkształceń osiowych wrzeciennika i konika. Stwierdzenie powyższe jest słuszne, jeżeli skrócenie sprężyste przedmiotu jest pomijalnie małe i nie następuje jego wyboczenie, przed czym zwykle zapobiega się za pomocą odpowiednich podtrzymek. Podczas szlifowania, gdy ściernica 7 przemieszcza się od prawego do lewego końca przedmiotu, powstające przemieszczenia kłów wrzeciennika przedmiotu i konika są różne (fig. 4) lecz ich stosunek jest stały i zależny od sztywności w kierunku osiowym układów, w których osadzone są kły. Różnice między położeniem nominalnym a położeniem rzeczywistym dowolnego przekroju o współrzędnej x, w którym odbywa się w danej chwili szlifowanie powierzchni śrubowej, zależą od rozkładu temperatur wzdłuż osi szlifowanego przedmiotu, podatności osiowej układów, w których osadzone są kły oraz od współrzędnej rozpatrywanego przekroju. O niedokładności obróbki decyduje maksymalna wartość tych różnic Δ max (fig. 3). W pierwszym przejściu występuje ona zwykle w pobliżu lewego końca szlifowanego przedmiotu, (w typowej sytuacji, gdy szlifowanie następuje od prawego do lewego końca, czyli od konika do wrzeciennika przedmiotu). Maksymalna różnica Δmax będzie tym mniejsza im mniejsze będzie odkształcenie układu zamocowania kła wrzeciennika przedmiotu. Jedenym ze sposobów byłoby zwiększanie zatem sztywności osiowej kła wrzeciennika przedmiotu. Możliwości są jednak ograniczone, a ponadto w następnych przejściach szlifujących nie byłoby to rozwiązanie najlepsze. Sposób według wynalazku polega na tym, że podczas szlifowania w pierwszym przejściu zmniejsza się stosunek sztywności osiowej kła konika do sztywności osiowej kła wrzeciennka przedmiotu wraz z przemieszczaniem się ściernicy od prawego końca do lewego końca obszaru obróbki. Najprościej uzyskuje się to albo przez obniżenie sztywności osiowej kła konika lub lepiej poprzez wywołanie początkowego przemieszczenia przez dociśnięcie kła konika do prawego nakiełka przedmiotu siłą, której wartość byłaby zmniejszana wraz z przesuwaniem się ściernicy do wrzeciennika przedmiotu. W pierwszym przejściu, przed rozpoczęciem którego przedm iot posiada tem peraturę otoczenia, a wydłużenie cieplne podczas szlifowania następuje głównie w tej części przedmiotu od strony konika, która była już szlifowana w trwającym przejściu, kieł konika dociska się sprężyście do prawego nakiełka przedmiotu początkowo z pewną siłą, razy większą od osiowej siły szlifowania a następnie, wraz z przesuwaniem się ściernicy w kierunku do wrzeciennika przedmiotu, zmniejsza się siłę docisku kła konika do pewnej wartości maksymalnej, razy większej od składowej osiowej siły szlifowania.

5 W przejściu drugim i przejściach następnych szlifowany przedm iot posiada wyższą tem peraturę i w związku z tym jego długość wskutek odkształceń cieplnych jest większa i określona odkształceniami Δ k(x) i Δ w(x). W dalszym ciągu sposób szlifowania według wynalazku polega na tym, że analitycznie poprzez wyznaczenie średniej tem peratury szlifowanego przedm iotu po pierwszym przejściu i przed kolejnymi przejściami, lub eksperymentalnie określa się wydłużenie przedm iotu i znając osiowe sztywności wrzeciennika przedmiotu i konika określa się takie przesunięcie osiowe przedmiotu, w kierunku wrzeciennika przedm iotu, dla którego różnica między nominalnym i rzeczywistym położeniem krańcowego, prawego (od strony konika) przekroju będącego początkiem obszaru obróbki, zmniejszona zostałaby do wartości bliskiej zera. Następnie wraz z przemieszczaniem się ściernicy w kierunku od konika do wrzeciennika przedm iotu zmniejsza się początkowe przemieszczenie czyli przemieszcza przedm iot w kierunku konika, tak aby w każdym położeniu ściernicy położenie rzeczywiste przekroju, w którym odbywa się szlifowanie, było możliwe zgodnie z położeniem nominalnym. Sposób ten można zrealizować z pomocą różnorodnych środków technicznych. W jednym z przykładów sposobu wykorzystuje się szlifierkę w której przez przyłożenie sił zewnętrznych można wywoływać niewielkie, sprężyste odkształcenia układu zamocowania kła wrzeciennika przedmiotu oraz układu mocowania kła konika. W innej realizacji sposobu, będącego przedmiotem wynalazku wykorzystuje się szlifierkę, w której zespoły zamocowania kła we wrzecienniku przedmiotu i kła w koniku mają regulowaną podatność osiową. W innym przykładzie realizacji wystarczy aby zmieniać tylko stosunek po d atności osiowej kła we wrzecienniku do podatności osiowej kła konika. Dobiera się wtedy taką podatność zamocowania kła we wrzecienniku, aby pod działaniem przyjętej granicznej siły osiowej dociskającej kieł konika do prawego nakiełka przedmiotu, maksymalne przesunięcie w lewo kła we wrzecienniku było równe wydłużeniu cieplnemu przedmiotu. Wraz z przesuwaniem się ściernicy od prawego do lewego końca przedmiotu (od konika do wrzeciennika) zmniejsza się wartość siły docisku kła konika, albo zmniejsza się sztywność zamocowania tego kła, do pewnej wartości minimalnej, przy której uzyskuje się najmniejszą wartość odchyłki położenia lewego końca przedm iotu w chwili, gdy kończy się określone przejście. Wyniki analiz i badań wskazują, że w większości przypadków występujących w praktyce, dla spełnienia celu, któremu służy niniejszy wynalazek, zmiany stosunku podatności osiowej wrzeciennika przedmiotu do podatności osiowej konika mogą następować od wartości nie większej niż 5 do wartości nie mniejszej niż 0,1. W szlifowaniu ślimaków przyjmuje się wartość początkową stosunku 3...4, a końcową 0,2...0,5. W szlifowaniu śrub konieczne jest ich zabezpieczenie przed wyboczeniem. Przyjmuje się wtedy początkową wartość stosunku rów ną a końcową 0,1...0,2. Zm iana wartości stosunku podatności od wartości maksymalnej do minimalnej powinna korzystnie następować tak, jak to wynika z liniowego zwiększania podatności konika od wartości minimalnej do największej, przy stałej podatności kła wrzeciennika. Dla zmian stosunku od 5 do 0,2 oznacza to, że podatność osiowa konika powinna być początkowo 5-cio krotnie większa od podatności osiowej kła wrzeciennika przedm iotu, a następnie zmniejszać się do wartości 25-cio krotnie mniejszej. W warunkach produkcji seryjnej celowym jest przez wykonanie prób rozpoznawczych sprawdzenie, czy przyjęcie innych wartości granicznych stosunku podatności osiowych nie daje lepszych wyników obróbki.

6 Fig. 5

7 Fig. 3 Fig. 4

8 Fig. 1 Fig. 2 Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena zł