Способ поверхностного пластического деформирования сферы обкатным кольцом
Владельцы патента RU 2259911:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) (RU)
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке поверхностным пластическим деформированием (ППД) неполных сферических поверхностей, например автомобильных шаровых пальцев. В способе поверхностного пластического деформирования сферы обкатным кольцом деформирующий инструмент, представляющий собой установленное в корпусе на подшипнике кольцо с внутренней сферической поверхностью радиусом Rи, охватывает обрабатываемую заготовку и благодаря сообщению корпусу планетарного движения обкатывания обеспечивает перемещение контакта инструмента с заготовкой по окружности, при этом внутренний радиус сферической поверхности деформирующего кольца инструмента определяется по определенной зависисмости. Деформирующий инструмент, его продольную ось планетарного движения обкатывания устанавливают под углом α к плоскости, перпендикулярной оси заготовки и проходящей через центр сферы, определяемый по определенной зависимости. Обеспечивается расширение технологических возможностей, снижение себестоимости, повышение производительности, улучшение качества. 3 ил.
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке поверхностным пластическим деформированием (ППД) неполных сферических поверхностей, например автомобильных шаровых пальцев.
Известен способ обкатки неполных сферических поверхностей, согласно которому обрабатываемой заготовки и деформирующему инструменту сообщают вращательное движение, причем деформирующему инструменту сообщают вращение по окружности, лежащей в плоскости, смещенной относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, при этом угловая скорость деформирующего инструмента связана с угловой скоростью обрабатываемой заготовки соотношением ωин≫ωз, кроме того, дано математическое соотношение между усилием нагружения и усилием обкатывания [1].
Недостатком известного способа является так называемое "переобкатывание", в результате которого происходит излишнее деформирование и отслаивание упрочненного поверхностного слоя. Причем сопровождающая процесс обкатывания пластическая волна, идущая впереди деформирующих элементов, приводит к трещинообразованию. Неблагоприятные условия обработки заготовки в части сферической поверхности, близлежащей к оси вращения заготовки, где происходит многократное (до 700 и более раз) обкатывание, которое приводит к увеличенной пластической деформации, углубленному следу и отрицательно отражается на высоте микронеровностей. Поэтому способ отличается неустойчивостью и нестабильностью процесса обкатки, что ведет к появлению большого количества бракованных деталей.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей способа ППД сферических поверхностей путем использования деформирующего элемента в виде охватывающего кольца со сферической внутренней поверхностью, позволяющего улучшить качество обрабатываемой поверхности, повысить производительность и снизить себестоимость обработки.
Поставленная задача решается предлагаемым способом поверхностного пластического деформирования (ППД) сферических поверхностей, при котором заготовке сообщают вращательное движение вокруг собственной оси, а деформирующему инструменту сообщают поперечную и продольную подачи, при этом деформирующий инструмент, представляющий собой установленное в корпусе на подшипнике кольцо с внутренней сферической поверхностью радиусом Rи, охватывает обрабатываемую заготовку и благодаря сообщению корпусу планетарного движения обкатывания обеспечивает перемещение контакта инструмента с заготовкой по окружности, при этом внутренний радиус сферической поверхности деформирующего кольца инструмента определяется по формуле:
Rи=Rз+e/cos[arc sin(h/Rз)],
кроме того, деформирующий инструмент, его продольную ось планетарного движения обкатывания устанавливают под углом α к плоскости, перпендикулярной оси заготовки и проходящей через центр сферы, определяемый по формуле:
α=arc sin(h/Rз),
где Rи - радиус внутренней сферической поверхности деформирующего кольца инструмента, мм;
α - угол установки оси вращения инструмента к плоскости, перпендикулярной оси вращения заготовки и проходящей через центр сферы Оз;
е - эксцентриситет между осью деформирующего кольца и осью вращения инструмента, мм;
Rз - радиус сферы обрабатываемой заготовки, мм;
h - величина смещения плоскости вращения деформирующего кольца относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, зависящая от конструктивных параметров заготовки, мм.
Особенности способа поясняются чертежами.
На фиг.1 показана схема реализации предлагаемого способа поверхностного пластического деформирования сферы, продольный разрез; на фиг.2 - схема реализации предлагаемого способа поверхностного пластического деформирования сферы, где инструмент повернут на 180°, относительно положения, показанного на фиг.1; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1.
Предлагаемый способ применяется при поверхностном пластическом деформировании неполных сферических поверхностей. Он основан на свойстве сферической поверхности, заключающемся в том, что ее любое сечение плоскостью, включая плоскости, смещенные относительно центра сферы, дает окружность. Это позволяет представить процесс формообразования неполной сферы методом ППД как движение образующей линии окружности, описанной деформирующим элементом, плоскость которой смещена относительно центра сферы, по направляющей линии - окружности, полученной за счет вращения обрабатываемой заготовки. Таким образом, точность формообразования сферы определяется не профилем инструмента, а точностью траектории этих движений, т.е. кинематикой процесса, что позволяет получить сферические поверхности высокой точности.
Для поверхностного пластического деформирования (ППД) сферической поверхности заготовки 1, предварительно обработанной, например, точением, ее закрепляют в приспособлении 2 и сообщают вращательное движение Vз вокруг собственной оси, а деформирующему инструменту 3 - поперечную Sпоп и продольную Sпр подачи.
Инструмент 3 представляет собой установленное в корпусе 4 на подшипнике 5 деформирующее кольцо 6 с внутренней сферической поверхностью радиусом Rи. Деформирующее кольцо 6 охватывает обрабатываемую заготовку 1 и благодаря сообщению корпусу 4 планетарного движения обкатывания Vи обеспечивается перемещение контакта инструмента 6 с заготовкой 1 по окружности. Для осуществления планетарного движения обкатывания Vи использован кривошип 7, с помощью которого ось деформирующего кольца, проходящая через центр сферы Ои инструмента, и ось вращения инструмента, проходящей через центр сферы Оз заготовки, разнесены на величину эксцентриситета е. Так как обработке подвергается неполная сферическая поверхность, то ось деформирующего инструмента 3 устанавливается под углом α к плоскости, перпендикулярной оси вращения заготовки 1 и проходящей через центр сферы Оз, при этом угол α определяется по формуле:
α=arc sin(h/Rз).
Радиус Rи внутренней сферической поверхности деформирующего кольца инструмента зависит от радиуса сферы обрабатываемой заготовки, эксцентриситета между осью деформирующего кольца и осью вращения инструмента, угла наклона деформирующего инструмента, величины смещения плоскости вращения деформирующего кольца относительно центра обрабатываемой сферической поверхности и определяется по формуле:
Rи=Rз+e/cos[arc sin(h/Rз)],
где Rи - радиус внутренней сферической поверхности деформирующего кольца инструмента, мм;
α - угол установки оси вращения инструмента к плоскости, перпендикулярной оси вращения заготовки и проходящей через центр сферы Оз;
е - эксцентриситет между осью деформирующего кольца и осью вращения инструмента, мм;
Rз - радиус сферы обрабатываемой заготовки, мм;
h - величина смещения плоскости вращения деформирующего кольца относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, зависящая от конструктивных параметров заготовки, мм.
Из последнего соотношения вытекает следующее: настройка на необходимую величину деформируемого слоя с получением сферы заготовки меньшего радиуса Rз должна производиться за счет увеличения эксцентриситета е, т. к. радиус Rи внутренней сферической поверхности деформирующего кольца инструмента остается постоянным.
Профилирование сферы предлагаемым способом осуществляется благодаря кинематической связи двух вращательных движений инструмента и заготовки, оси которых перекрещиваются. Такое взаимное расположение заготовки и инструмента обеспечивает не только поверхностное пластическое деформирование, но и фрикционное поверхностное упрочнение.
Поэтому, если требуется увеличить эффект поверхностного пластического деформирования, уменьшить трение в зоне контакта и уменьшить износ формирующей поверхности деформирующего кольца инструмента, скорость вращения деформирующего инструмента Vи должна быть связана с скоростью заготовки Vз соотношением Vи≫Vз.
Способ позволяет снизить величину шероховатости обрабатываемой сферы за счет поверхностного пластического деформирования участком инструмента, имеющим внутреннюю охватывающую сферическую поверхность, близкую по размерам к обрабатываемой сфере. Такое сочетание поверхностей заготовки и деформирующего инструмента и их взаимное расположение, как это видно на фиг.3, где показаны промежуточные положения охватывающей сферической поверхности деформирующего кольца 6 инструмента 3, позволяет увеличить пятно контакта и снизить величину шероховатости обрабатываемой сферы.
При этом наблюдается значительное уменьшение величины пластической волны, возникающей перед зоной контакта инструмента с заготовкой в направлении движения контакта, что резко снижает вероятность трещинообразования обработанного поверхностного слоя.
Пример. Установленную в специальном электромеханическом приспособлении в шпинделе передней бабки токарного станка мод. 16К20ФЗ заготовку пальца шарового верхнего 2101-2904187, изготовленную из стали 20Х ГОСТ 1050-74, обрабатывают сферу диаметром 32,7±0,1; исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,63 мкм; деформирующий инструмент - кольцо из твердого сплава ВК8 ГОСТ 3882-74 с внутренним сферическим отверстием радиусом Rи=21,6 мм, величина смещения плоскости вращения деформирующего кольца относительно центра обрабатываемой сферической поверхности - h=5 мм; эксцентриситет е=5 мм; деформирующий инструмент его продольную ось планетарного движения обкатывания устанавливали под углом α=17°50' к плоскости, перпендикулярной оси заготовки и проходящей через центр сферы.
ППД вели на следующих режимах: скорость обкатывания Vи=12,0 м/мин (nи=116,8 мин-1); скорость вращения заготовки (подача) Vз=0,13 мм-1; Sпоп и Sпр - ручные, осуществляли до значения усилия обкатывания, равного Ро≈1700...1750 Н; диаметр сферы изменился после обкатывания на 0,02 мм (0,01 мм на сторону); глубина наклепанного слоя находилась в пределах 0,15...0,20 мм; смазывающе-охлаждающей жидкостью при обкатывании служил сульфофрезол (5%-ная эмульсия).
Требуемая шероховатость и точность сферической поверхности были достигнуты через Тм=0,71 мин (против Тм баз 2,75 мин по базовому варианту при традиционной обработке обкатыванием на Орловском сталепрокатном заводе ОСПАЗ). Контроль проводился индикаторной скобой с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68 и на профилометре мод. 283 тип АН ГОСТ 19300-86. В обработанной партии (равной 100 штук) бракованных деталей не обнаружено. Отклонение обкатанной поверхности от сферичности составило не более 0,02 мм, что допустимо ТУ.
Использование в предлагаемом способе деформирующего инструмента в виде охватывающего кольца со сферическим отверстием позволяет достичь высокой производительности обработки (требуется всего 1,5...2 оборота заготовки), обеспечить высокую точность, снизить величину шероховатости обработанной поверхности и уменьшить себестоимость обработки.
Источники информации
1. Патент РФ 2031770, МКП6 В 24 В 39/04, 39/00. Способ обработки неполных сферических поверхностей деталей поверхностным деформированием. Гаврилин А.М., Самойлов Н.Н. 5045958/27; 14.04.92; 27.03.95. Бюл. №9 - прототип.
Способ поверхностного пластического деформирования (ППД) сферических поверхностей, при котором заготовке сообщают вращательное движение вокруг собственной оси, а деформирующему инструменту сообщают поперечную и продольную подачи, отличающийся тем, что деформирующий инструмент, представляющий собой установленное в корпусе на подшипнике кольцо с внутренней сферической поверхностью радиусом Rи, охватывает обрабатываемую заготовку и благодаря сообщению корпусу планетарного движения обкатывания обеспечивает перемещение контакта инструмента с заготовкой по окружности, при этом внутренний радиус сферической поверхности деформирующего кольца инструмента определяется по формуле:
кроме того, деформирующий инструмент, его продольную ось планетарного движения обкатывания устанавливают под углом α к плоскости, перпендикулярной оси заготовки и проходящей через центр сферы, определяемый по формуле:
где Rи - радиус внутренней сферической поверхности деформирующего кольца инструмента, мм;
α - угол установки оси вращения инструмента к плоскости, перпендикулярной оси вращения заготовки и проходящей через центр сферы;
е - эксцентриситет между осью деформирующего кольца и осью вращения инструмента, мм;
Rз - радиус сферы обрабатываемой заготовки, мм;
h - величина смещения плоскости вращения деформирующего кольца относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, зависящая от конструктивных параметров заготовки, мм.
