Способ упрочнения галтели ступенчатого вала
Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к обработке деталей типа ступенчатых валов с высокими требованиями по усталостной прочности. Целью изобретения является повышение качества обработки путем увеличения усталостной прочности вала. Цель достигается тем, что осуществляют предварительное формообразование зоны галтели и ее последующее пластическое деформирование инструментом с профильным радиусом, равным радиусу галтели, и усилием, направленным под углом к оси вала. При этом предварительное формообразование галтели осуществляют вдавливанием роликового инструмента в зону сопряжения галтели с торцом большего диаметра вала до образования пластической волны с подъемом в направлении , перпендикулярном оси вала,на величину 0,016-0,028 радиуса галтели с усилием, направленным вдоль оси вала и определяемым по математическому выражению , причем последующее пластическое деформирование осуществляют с дополнительным усилием, определенным по математической зависимости. Это позволяет при обработке получить дополнительный объем металла, смещаемого от торца к основанию галтели, и увеличить упрочняющий эффект, ч нп,., 1 табл. сл С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
1734988 А1 (я)5 В 24 В 39/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
g ( ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4772483/27 (22) 21,12.89 (46) 23.05.92. Бюл. ¹ 19 (75) В,А.Афанасьев (53) 621.923.77 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР ¹ 1013238, кл. B 24 В 39/00, 1984. (54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ГАЛТЕЛИ СТУПЕНЧАТОГО ВАЛА (57) Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к обработке деталей типа ступенчатых валов с высокими требованиями по усталостной прочности. Целью изобретения является повышение качества обработки путем увеличения усталостной прочности вала, Цель достигается тем, что осуществляют предварительное формообразование зоны галтели и ее последующее. пластическое деформирование инИзобретение относится к технологии машиностроения, в частности к упрочнению накаткой галтелей ступенчатых валов, например поворотных кулаков автомобиля. Известен способ упрочнения малых галтелей валов поверхностным пластическим деформированием, заключающийся в том, что радиус галтели выполняют возможно меньшим (нулевой радиус), затем производят пластическое выдавливание галтельного перехода обкатыванием роликом или шариком заданного радиуса R с образованием поднутрения в сторону торца большого диаметра вала. При этом используются ролики с профильным радиусом струментом с профильным радиусом, равным радиусу галтели, и усилием, направленным под углом к оси вала. При этом предварительное формообразование галтели осуществляют вдавливанием роликового инструмента в зону сопряжения галтели с торцом большего диаметра вала до образования пластической волны c подъемом в направлении, перпендикулярном оси вала,на величину 0,016 — 0,028 радиуса галтели с усилием, направленным вдоль оси вала и определяемым по математическому выражению, причем последующее пластическое деформирование осуществляют с дополнительным усилием, определенным по математической зависимости, Это позволяет при обработке получить дополнительный объем металла, смещаемого от торца к основанию галтели, и увеличить упрочняющий эффект. 4 ил„1 табл, R = (0,02...0,03) d<, где di — малый диаметр вала. Такое упрочнение образцов и натурных деталей характеризуется повышением пределов выносливости на 60 — 80% Однако указанная эффективность не подтверждается; получено повышение предела выносливостити на 407. Кроме того, применять рекомендуемые малые радиусы опасно, так как при отклонениях от режима упрочнения, обычно происходящих в массовом производстве, малый радиус становится значител ьн ым кон центратором нап ряжений. Известен также способ обработки галтели ступенчатого вала, включающий предварительную механическую обработку зоны 1734988 Q = k1 55 галтели; выполняют точением дополнительную ступень, длина которой по образующей равна ее высоте и составляет 0,4 — 0,5 радиуса галтели, и последующую пластическую деформацию дополнительной ступени. Деформирование осуществляют путем давления роликом в направлении под углом 45 к оси вала до тех пор, пока не будет сформирован галтельный переход. Вследствие подобной предварительной формы в зоне галтельного перехода в процессе последующего упрочнения пластическим деформированием возникают трещины, вследствие чего не обеспечивается достаточная усталостная прочность. Цель изобретения —.повышение усталостной прочности галтельных переходов. Указанная цель достигается тем, что предварительное формообразование галтели осуществляют путем вдавливания роликового инструмента в зону сопряжения галтели с торцом большего диаметра вала усилием, направленным вдоль оси изделия P =(0,4-0,6) овр R рол кгс 2 где овр — предел прочности материала, кгlмм; Rpon профилирующий радиус ролика, мм, и образования пластической волны с подьемом в направлении, перпендикулярном оси изделия, на величину 0,016 — 0,028 радиуса галтели, а последующее пластическое деформирование полученной волны производят с одновременным приложением двух усилий: осевого P и направленного под углом к оси изделия Q = (0,15 — 0,17) Osp Крол d, кг, овр — предел прочности материала вала, кг/мм; Rpon профилирующий радиус ролика, мм; d — приведенный диаметр, мм, опреде1 1 1 ляемый выражением = + брол dsana dpon — диаметр профилирующего ролика, мм; dsana — диаметр упрочняемого вала, мм. Ка фиг, 1-3 изображена последовательность обработки галтели ступенчатого вала; на фиг. 4 — инструмент для осуществления предлагаемого способа. Предлагемый способ осуществляется следующим образом. Между роликами 1 в центрах размещают цилиндрическую ступенчатую деталь 2, Для упрочнения используют профильный инструмент с радиусом Крол, равным заданному радиусу галтели Ryan. Наиболее рационально выполнять предлагае5 40 мый способ роликами, образующими каплевидный отпечаток на цилиндрической поверхности вала (фиг. 4). Для осуществления способа в начальной стадии выполняют подвод роликов к зоне сопряжения радиуса исходной галтели с торцевой частью большего диаметра вращающейся детали. Ролики внедряют в указанную зону усилием Р и выдавливают металл в направлении, перпендикулярном оси изделия в виде пластической волны, в результате чего металл в этой зоне приобретает некоторое упрочнение. По достижении заданного усилия Р, обеспечивающего заданную величину высоты пластической волны, к ролику прикладывают усилие 0, направленное под углом, например, 45 — 60 к оси ступенчатого вала, При этом усилие Р, действующее параллел ьно оси изделия, остается неизменным по величине, т.е. последующее пластическое деформирование полученной на предыдущей стадии волны осуществляют одновременным приложением двух сил: P— параллельной оси и Q — под углом к оси изделия. Указанная формула для определения Q получена опытным путем на основании эмпирической формулы. Pyap= k I d, где k — опытный коэффициент, зависящий от Овр d — приведенный диаметр; 1 1 1 dpon d sana При усилии упрочняющей накатки, определенном по формуле, имеет место некоторое упрочнение за счет сглаживания микронеровностей. При этом невозможно контролировать упрочненный слой, Для упрочнения галтелей эта формула трансформируется следующим образом; где 2 Rpon =! — проекция длины дуги контакта ролика с галтелью на направление, перпендикулярное вектору усилия, Испытываемая модель вала имела слеДующие параметры: dpon = 100; бвала = 55; d==35,5(из = 100 + 55);овр =85 кг/мм; Rpon =6;Q=k1 85 2 6 35,5=k2 85 6.35,5. Экспериментально установлено, что это усилие можно выбирать в пределах Q = 2700— 3100 кг. Этим пределам соответствуют коэффициенты k2 — „0,15 — 0,17, показан0 Овр Rpon d 1734988 ные в приведенной формуле для определения Q. Выбор усилия Q в указанных пределах необходим для создания пластической деформации за пределами шероховатости и калибровки зоны галтели с образованием сдвиговой деформации в зоне основания галтели, являющейся опасной зоной, что позволяет получить контролируемый упрочненный слой. При усилии упрочняющей накатки 0 > 0,17ñвр Rpon о в зоне галтели возникают цвета побежалости, микротрещины и шелушения поверхности, что резко снижает усталостную прочность изделия, При Q < 0,15 Овр Rpon б отсутствует контролируемый упрочненный слой, Величину подъема пластической волны при этом выбирают в пределах 0,016 — 0,018 радиуса галтели, что обусловлено наилучшими условиями получения сдвиговой деформации у основания галтели при последующем пластическом деформировании: при высоте волны < 0,016 Rran отсутствует контролируемый упрочненный слой, г ри высоте волны > 0,028 бегал возникают цвета побежалости, микротрещины и шелушение поверхности. Для обеспечения указанной величины пластической волны радиус заготовки ступенчатого вала берут равным Взад = (1,08 1, 18)бегал. Чтобы получить указанную выше величину волны осевое усилие вдавливания берут равным Р = (0,4 — 0,6) 0 р R рол, 2 Указанная формула определена опытным путем наосновании эмпирической формулы Pygp=k д, где k- опытный коэффициент, зависящий от +8p! ! — пятно контакта ролика на вале; d — приведенный диаметр: 1 1 1 dpon бвала В случае внедрения ролика в торец с!рол заменяется на 2йрол, à dsana =. 1 1 +1, d 2 Rpon d = 2Врол. Если вместо k ввести другой коэффициент, приравняв k = ka Osp, ! = Rpon + !торц = 2Rpon, то P = kq вр 2йрол 2Врол k4= Овр рол В опытах, проведенных на ЗИЛ, Rpon = 6; (7вр = 85 кг/мм .. Экспериментально установлено, что P можно выбирать в пределах 1200 — 1800 кг. При этом получается !„рц = 6 мм. 5 Тогда k4 85 36 = 0,4; 4мако = 85 36 0 6, Р = (0,4 — 0,6) О вр R рол Выбор усилия Р в указанных пределах 10 необходим для создания пластической деформации в укаэанной зоне. При Р < 0,4 гавр R pon не будет пласти2 ческой деформации в зоне галтели и в результате невысокая степень упрочнения. 15 При P > 0,8 бвр R роп возникают цвета 2 побежалости в зоне сопряжения галтели с торцом, что недопустимо из-за разупрочнения указанной зоны. Совместное действие двух усилий на20 катки: горизонтального и направленного под углом к оси вала, вызывает сложное деформированное состояние, которое не представляется возможным описать теоретическими расчетами. Экспериментально 25 установлено, что в результате выдавливания металла из торцевой части в основание галтели и последующего его перераспределения вдоль основания галтели.металл получает сдвиговую деформацию как вдоль З0 образующей вала, так и в окружном направлении, о чем свидетельствует направление волокон на травленых темплетах — образцах, вырезанных из деталей в месте упрочнения. Кроме того, совместное действие усилий накатки, направленных вдоль оси вала и под углом к указанной оси, позволяет получить дополнительный объем металла, смещаемого из торцевой части галтели в 40 основание галтели, что, в свою очередь, обеспечивает высокий упрочняющий эффект за счет сдвиговых деформаций при большой производительности процесса, Предложенная схема деформации позволя45 ет получить увеличение предела выносливости на 80 при сравнительных испытаниях упрочненной и неупрочненной детали. Так как величина пластической волны при осевом вдавливании ролика зависит от размеров галтельной зоны, а величина сдвиговой деформации — от величины пластической волны и усилия сдавливания на второй стадии упрочняющей накатки, это указывает, что данные параметры процесса на55 ходятся во взаимосвязи, Совокупное воздействие параметров упрочняющей накатки обуславливает получение улучшенных параметров упрочнения при минимальных затратах времени на операцию упрочнения, 1734988 что дает возможность повышения производительности процесса, Способ осуществляют следующим образом. Способ испытан в процессе упрочнения ступенчатой детали — поворотного кулака ЗИЛ вЂ” 130 — при малом диаметре цапфы 55.мм, радиусе галтели 7 мм, сталь 4-Х, твердость 241 — 285 НВ. Указанную деталь располагают в центрах между роликами с каплевидным отпечатком длиной 10 0,5 мм (на диаметре 55 мм при давлении на накатные ролики 3000 кг под углом 65 к оси изделия). Включается вращение шпинделя со скоростью 350 об/мин. В начальный момент осуществляют подвод накатных роликов с радиусом 6 мм к диаметру 55 мм на расстоянии 20 мм от торца галтели при усилии указанных роликов на упрочняемый диаметр, равном 1200 кг. Затем включается продольная подача роликов со скоростью 0,55 об/мм в направлении к торцу галтели. После подвода роликов к указанному торцу включается осевое давление упрочняющих роликов на торец галтели с усилием 1500 кг. При этом получают пластическую волну величиной порядка 0,1 мм, После двух-трех оборотов иэделия при усилии 1500 кг включается даво ление роликов на галтель под углом 65 к оси изделия с усилием 3000 кг и выдержкой 1 — 1,5с, Укаэанный режим упрочнения был рекомендован после испытаний с изменением о давления на ролики в направлении 65 к оси в пределах Q = 2700 — 3100 кг. В результате испытаний установлено, что при P < 1200 кг и Q < 2700 кг высота пластической волны < = 0,10 мм и отсутствует контролируемый упрочненный слой. При P > 1800 кг и Q > 3100 кг высота пластической волны 0,18 мм и в зоне галтели возникают цвета побежалости, микротрещины, шелушение поверхности. В таблице приводятся данные зависимости глубины упрочненного слоя от усилий упрочнения и высоты пластической волны. В проводимых опытах давление роликов на галтель под углом 65 к оси изделия установлено постоянным Q 3000 кг, осевое усилие P переменно: P = 1200 — 1800 кг. В результате усталостных испытаний на изгиб цапф поворотных кулаков автомобиля ЗИЛ вЂ” 130 предел выносливости упрочненных деталей, т.е. число циклов без разрушения более 10 млн, достигнут при нагрузке 245 кгм, Предел выносливости неупрочненных деталей достигается толь5 ко при 136 кгм. Предлагаемый способ обеспечивает повышение предела выносливости материала изделия на 80 и увеличение долговечности в области перегрузок более чем в 10 10 раз. Производительность процесса упрочнения по предлагаемому способу на очень высоком уровне, соответствующем потребностям массового производства. Формула изобретения Способ упрочнения галтели ступенчатого вала, при котором осуществляют предварительное формообразование зоны 20 галтели и ее последующее пластическое деформирование. инструментом с профильным радиусом, равным радиусу галтели, и с усилием, направленным под углом к оси вала, отличающийся тем, что, 25 с целью повышения качества обработки путем увеличения усталостной прочности вала, предварительное формообразование галтели осуществляют вдавливанием роликового инструмента в зону сопряжения гал30 тели с торцом большего диаметра вала до образования пластической волны с подьемом в направлении, перпендикулярном оси вала, на величину 0,016 — 0,028 радиуса галтели с усилием, направленным вдоль оси 35 вала и определяемым по выражению P = (0,4 — 0,6) (твр К род, кгс, где о,р — предел прочности материала, 40 кг/ммг Вррд профильный радиус ролика, мм, при этом последующее пластическое деформирование осуществляют с дополнительным усилием, определяемым иэ 45 соотношения Q =(0,15 — 0,17) Овр Брод б, кгс, где d — приведенный диаметр, определяемый выражением 1/d = 1/брод + 1/бвада, где брод — диаметр ролика, мм; бвада — диаметр обрабатываемого вала, мм. 1734988 1734988 Составитель В, Афанасьев Редактор Н, Лазоренко Техред М,Моргентал Корректор И, Муска Заказ 1774 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101
