УДК 679.91(06)
Кинематическая структура специализированных
станков для шлифования шаров из янтаря
и методика расчета их производительности
,
Рассмотрены кинематические структуры специализированных станков с клиновой формой рабочего зазора. Представлена методика оценки эффективности предложенных структур по критерию производительности. Приведен пример расчета и показана эффективность конструкции с рабочим зазором в виде внутреннего клина.
специализированные станки, шлифование сферы, янтарь, производительность, методика расчета
В ювелирных изделиях из янтаря (прежде всего – в бусах) широко используются янтарные шары диаметром 3, 4, 5, 6, 8 и более миллиметров с допуском на диаметр 0,05 мм в любом сечении (т. н. “калиброванные” шары, в отличие от “мятых” шаров неправильной сферической формы). Объемы производства, особенно шаров малого диаметра 3, 4, 5 мм., составляет десятки и даже сотни тысяч штук каждого типоразмера. Высокие требования к точности формы и размеров, которые, которые, казалось бы, не должны предъявляться к шарикам бус, обусловлены малым допуском (±0,05…±0,07 мм.) на отклонение оси отверстия в шарике относительно геометрического центра сферы. В противном случае эстетические свойства шаров и бус в целом снижаются. В связи с особенностями базирования шариков на последующей за шлифованием операции сверления и возникающих при этом погрешностях, обеспечение указанных требований возможно лишь для шаров правильной сферической формы.
Используемое в настоящее время оборудование для производства “калиброванных” шаров является не автоматизированным, с большой долей ручного труда [1, 2]. Ясно, что большие объемы производства, а так же технологические сложности при шлифовании точных янтарных шаров делают задачу разработки высокопроизводительного специализированного станка весьма актуальной.
Проведенный ранее анализ схем шлифования янтарных шаров [3], а так же исследования по разработке кинематической структуры соответствующих станков [4], позволил авторам предложить критерии для сравнительной оценки различных схем с точки зрения их автоматизации. В предлагаемой статье, в развитие и дополнение исследований, представленных в [5], дано краткое описание кинематической структуры перспективных конструкций станков с клиновым рабочим зазором, представлена методика расчета их производительности.
На рис. 1 и рис. 2 представлены кинематические структуры станков, которые имеют ряд общих узлов и механизмов, но отличаются характером рабочего зазора.
Рис.1 Специализированный шлифовальный станок с наружным клиновым рабочим зазором: a – кинематическая схема; б – расчетная схема; в – начальное сечение зазора; г – конечное сечение зазора.
Рис. 2 Специализированный шлифовальный станок с внутренним клиновым рабочим зазором: а – кинематическая схема; б – расчетная схема; в – начальное сечение зазора; г – конечное сечение зазора.
Заготовки 1 поступают из бункера в гнездо сепаратора 2 с перегородками 3, и транспортируются из зоны загрузки в положение А-А начала обработки. Здесь заготовка вступает в контакт с пассиками 4 на приводных роликах 5 и с крайними точками профиля абразивного круга 6 (см. рис. 1в и 2в). За счет вращения роликов В2 заготовка приводится пассиками в формообразующие движение круговой подачи ФSкр (В5). Вращение абразивного круга обеспечивает формообразующее движение скорости резания ФV (В1).
Рабочий зазор, образованный радиусной поверхностью канавки на абразивном круге 6 и контактными поверхностями пассиков 4, носит форму клина с криволинейным профилем боковых сторон. Для конструкции станка на рис. 1б профили сторон клина изогнуты в разные стороны (наружный клиновой зазор). На рис. 2б боковые профили клина изогнуты в одну сторону (внутренний клиновой зазор). При перемещении заготовки из положения А-А начала обработки в положение Б-Б конца обработки сечение зазора уменьшается (рис. 1в, г и рис. 2в, г). По мере прохождения заготовкой всей длины рабочего зазора осуществляется съем припуска и уменьшение диаметра шара от dз до dш. Здесь, по сути, за счет клина осуществляется в неявном виде радиальная подача Sрад, а движение В3 играет роль движения врезания – Вр (Вз).
Если задана радиальная подача Sрад, мм/сек и известен припуск на сторону на заготовке ∆r, мм, то основное технологическое время tо, сек определяется как
(1)
Рассматриваемые кинематические структуры относятся к структурам машин второго класса [6], для которых транспортное движение является так же и технологическим. Следовательно, линейная скорость опорных точек сепаратора Vс одновременно является технологической скоростью Vт, то есть Vс= Vт.
При прохождении заготовкой всей длины рабочего зазора опорная точка лопатки сепаратора пройдет путь L=ОнОк (см. рис. 1б, 2б) по дуге окружности диаметром dc=2Rc, а сам сепаратор повернется на угол αраб вращаясь с частотой nc.
(2)
(3)
Подставляя в (2) значение L из (3) и to из (1) получаем:
(4)
Исходя из известной кинематической зависимости и используя (4) имеем:
(5)
Если угол между гнездами сепаратора (“карманами”) αк < αраб, то для машин данного класса теоретическая производительность Пт определяется следующим образом [6]:
(6) 
где z-число гнезд сепаратора.
Подставляя (5) в (6) получаем:
(7)
Число гнезд сепаратора можно рассчитать принимая ориентировочно шаг между гнездами T=2dш (возможны и другие варианты):
(8)
Значение αраб можно определить, решая косоугольный треугольник ОО1Он (см. рис. 1б, 2а) по теореме косинусов:
(9)
где а=ООн, b=ОО1, с=О1Он.
Для схемы с рабочим зазором в виде наружного клина на рисунке 1 имеем: a=Rкр+k; b=Rкр+Rc; c=Rкр+tн. Если рабочий зазор представляет собой внутренний клин (см. рис. 2), то: a=Rкр+k; b=e; c=Rр-tн. Здесь k, tн – параметры рабочего зазора в его начальном сечении А-А; e – эксцентриситет ролика относительно шлифовального круга. Значения k и tн определяются из элементарных геометрических построений (в статье не приводятся) – см. так же рис. 1в и 2в):
(10)
(11)
Здесь dn – диаметр сечения пассика, βн – начальный угол контакта заготовки с пассиками (βн ≈ 900, [1]).
Рассчитаем производительность при обработке шаров, например, диаметром 5мм. Знаком ′ будем обозначать параметры и результаты расчетов для конструкции с наружным клиновым зазором, знаком ″ - для конструкций с внутренним клиновым зазором. Принимаем: dз=6 мм (Δrз=0,5 мм); S=0,5 мм/сек; Rкр=75 мм; dn=2,5 мм; βн=900; e=5 мм; Rc=75 мм; R′p=72,8 мм; R″p=82,5 мм.
Имеем: по формуле (8) z′=z″=50, при этом αк=7,20; по формуле (9) с предварительным расчетом по (10) и (11) α′раб ≈ 90, α″раб ≈ 550, при этом выполняется необходимое условие αраб > αк; по формулам (4), (5) V′c=12 мм/сек, n′c=1,5 мин-1; V″c=70 мм/сек, n″c=9 мин-1; по формуле (7) П′т=75 шт/мин, П″т=454 шт/мин.
Результаты расчета показывают, что при одной и той же радиальной подаче и одинаковой кинематической (но не конструктивной) сложности производительность станка, в конструкции которого реализован рабочий зазор в виде внутреннего клина, примерно в шесть раз выше, чем для станка с наружным клиновым зазором. Однако при этом существенно возрастает и скорость сепаратора (с 1,5 до 9 мин-1). Это может выступить ограничивающим фактором повышения производительности, так как загрузка заготовок из бункера в гнезда сепаратора может стать проблематичной. Но если даже ограничиться производительностью 150…200 шт/мин, что достигается, согласно расчету, при вполне приемлемых частотах вращения сепаратора nс=3…4 мин-1, то и в этом случае предложенные конструкции в 10…15 раз производительнее существующих, для которых Пт=12…15 шт/мин.
Таким образом на основе представленных материалов можно сделать следующие выводы.
1. Впервые предложены и рассмотрены высокоэффективные кинематические структуры специализированных станков для шлифования шаров из янтаря с непрерывной автоматической подачей заготовок в рабочий зазор, имеющий форму клина.
2. Разработана методика сравнительной оценки предложенных конструкций по критерию производительности. Представлен пример практических расчетов согласно методике. На основании расчетов, еще на стадии проектирования, можно предварительно оценить эффективность принимаемых конструктивных решений. После доработки и дополнительных исследований расчеты для любых диаметров шариков и варьируемых параметров клиновых зазоров можно будет проводить с использованием ЭВМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борисов для обработки шаров из янтаря / , , // Известия КГТУ – 2004, №5 – с. 82…86.
2. , , Алешкевич технологии и оборудование обработки янтаря / Под ред. – Калининград, КГТУ, 2003, 318 с.
3. Борисов шлифования калиброванных шаров из янтаря и анализ их кинематических характеристик / , , // Инновации в науке и образовании – 2004: международная научная конференция, посвященная 10-летию образования КГТУ (20-22 окт.): материалы / КГТУ. – Калининград, 2004. – с. 178.
4. Борисов и обоснование кинематической структуры станка-автомата для шлифования высокоточных шаров из янтаря / , , // Автоматизация технологических процессов: сборник научных трудов / КГТУ. – Калининград, 2006. – с. 64…70.
5. Борисов производительности от формы и параметров рабочего зазора при шлифовании шаров из янтаря / , // Инновации в науке и образовании – 2006: труды научной конференции (18-20 окт.), ч.2. / КГТУ. – Калининград, 2006. – с.118…119.
6. Прейс роторные машины: вчера, сегодня, завтра. – М.: Машиностроение, 1986. – 218 с.
CINEMATIC STRUCTURE OF SPECIALIZED UNITS FOR SMOOTHING OF BALLS MADE OF AMBER AND METHODIC OF CALCULATION OF THEIR PRODUCTIVITY.
B. P. Borisov, Y. F. Pravdin
Cinematic structures of specialized machine tools with wedge the form of a working backlash are considered. The technique of an estimation of efficiency of the offered structures by criterion of productivity is presented. The example of calculation is resulted and efficiency of a design with a working backlash in the form of an internal wedge is shown.
