Охватывающее кольцо для упрочняющей обкатки

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к оснастке для поверхностного пластического деформирования тел вращения типа валов. Деформирующий элемент для поверхностного пластического деформирования тел вращения типа валов представляет собой охватывающее заготовку кольцо с трехступенчатой внутренней рабочей поверхностью, выполненной в виде расположенных, соответственно, последовательно в направлении продольной подачи, переднего сглаживающего конуса, упрочняющего пояска и заднего конуса. При этом кольцо установлено в подшипнике с возможностью свободного вращения, а его внутренний диаметр определен по расчетным формулам. Расширяются технологические возможности, и повышается качество обрабатываемой поверхности. 10 ил.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к инструментам и оснастки для обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) тел вращения типа валов.

Известно устройство, в котором деформирующий элемент для поверхностного пластического деформирования тел вращения типа валов представляет собой охватывающее заготовку кольцо с трехступенчатой внутренней рабочей поверхностью, выполненной в виде расположенных последовательно в направлении продольной подачи, переднего сглаживающего конуса, упрочняющего пояска и заднего конуса [1].

Недостатком известного устройства является не высокое качество обрабатываемой поверхности, вызванное большим трением между инструментом и заготовкой, отрицательно влияющее также на износ деформирующего элемента.

Известно трехроликовое приспособление для обкатывания нежестких валов, состоящее из державки с роликами, шарнирно соединенная с корпусом, который крепят на суппорте станка [2]. Приспособление оснащено упрочняющими деформирующими элементами в виде торообразных роликов, например, по ГОСТ 16344-70.

Недостатком известного приспособления является ограниченность применения, узкая специализация (только для цилиндрических поверхностей) и низкая производительность, при этом для получения высокого качества необходимо создание больших рабочих усилий, а это требует использование роликов с большим радиусом профиля, что отрицательно влияет на массогабаритные параметры и не всегда осуществимо. При этом значительная величина пластической волны, идущей перед деформирующими элементами в виде роликов или шариков, увеличивает вероятность трещинообразования и отслаивания обрабатываемого поверхностного слоя.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей путем обеспечения обработки ППД тел вращения типа валов, а также снижение себестоимости, повышение производительности и улучшение качества изготовления, благодаря использованию деформирующих элементов в виде охватывающих колец с внутренней рабочей поверхностью, состоящей из переднего конуса, упрочняющего пояска и заднего конуса, значительно уменьшающих величину пластической волны, идущей перед деформирующими элементами и вероятность трещинообразования и отслаивания обрабатываемого поверхностного слоя.

Поставленная задача решается предлагаемым деформирующим элементом для поверхностного пластического деформирования тел вращения типа валов, представляющим собой охватывающее заготовку кольцо с трехступенчатой внутренней рабочей поверхностью, выполненной в виде расположенных, соответственно, последовательно в направлении продольной подачи, переднего сглаживающего конуса, упрочняющего пояска и заднего конуса, причем кольцо установлено в подшипнике с возможностью свободного вращения, а его внутренний диаметр определен по формулам:

D_ку=(1,1...1,3)D_з,

D_ку=D_кс-2b

где D_ку - внутренний минимальный диаметр отверстия охватывающего кольца по упрочняющему пояску, мм;

D_кс - внутренний максимальный диаметр отверстия охватывающего кольца по сглаживающему пояску, мм;

D_з - диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм;

b - величина, на которую изменяется размер после обработки, мм.

Сущность конструкции деформирующего элемента поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема обработки поверхностным пластическим деформированием нежесткого вала деформирующими охватывающими кольцами в составе двухкольцевого приспособления для обкатывания на токарном станке, продольный разрез по А-А на фиг.2; на фиг.2 - двухкольцевое приспособление для обкатывания, общий вид справа по Б (повернуто) на фиг.3; на фиг.3 - двухкольцевое приспособление для обкатывания, разрез В-В на фиг.2; на фиг.4 - общий вид сбоку блока (состоящего из двух) державок двухкольцевого приспособления в рабочем положении при обкатывании вала; на фиг.5 - общий вид сбоку блока (состоящего из двух) державок двухкольцевого приспособления в свободном состоянии, без заготовки; на фиг.6 - блок (состоящий из двух) державок двухкольцевого приспособления с указанием направления и места действия сил обкатывания, вид слева на фиг.4; на фиг.7 - блок державок с указанием направления и места действия сил обкатывания, продольный разрез по Г-Г на фиг.6; на фиг.8 - двухкольцевое приспособление, разрез Д-Д на фиг.3.

Предлагаемое охватывающее кольцо предназначено для обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) - обкатыванием тел вращения типа валов в составе одно- и многокольцевых приспособлений.

Особенности устройства и работы кольца рассмотрим на примере двухкольцевого приспособления для обкатывания, приведенное на фиг.1-10. Двухкольцевое приспособление содержит корпус 1 сварной конструкции, с помощью которого его крепят, например, на суппорте токарного станка. В корпусе можно различить: полдиска 2, расположенного вертикально, две взаимно перпендикулярные горизонтальные планки 3 для закрепления корпуса в резцедержателе суппорта (не показаны) и ребра жесткости 4.

Поверхностное пластическое деформирование осуществляется свободно вращающимися деформирующими элементами в виде охватывающих колец 5 в количестве не менее двух, которые на подшипниках 6 смонтированы в центральных отверстиях державок 7. Державки 7 (по количеству, равное количеству деформирующих колец - блок державок) свободно контактируют друг с другом своими торцовыми поверхностями, при этом в периферийных диаметрально противоположных пазах 8 державок расположены общие на все державки две пружины сжатия 9, создающие необходимое усилие обкатывания Р_о. Пружины сжатия 9 установлены в пазах 8 на планках 10, являющимися опорными площадками для пружин и одновременно ограничителями поперечных перемещений державок 7, совершаемых под действием пружин 9, при смене обрабатываемых заготовок и удалении их из зоны обкатывания двухкольцевого приспособления (фиг.5).

Блок державок 7 подвижно установлен в корпусе 1 с помощью двух дисков 11 и 12. Диски 11 и 12 имеют центральные отверстия для свободного прохождения обрабатываемой заготовки. Диск 11 жестко соединен с полудиском 2 корпуса 1 винтами 13, а другой диск 12 жестко крепится к торцу диска 11 с помощью распорных втулок 14 и винтов 15. Между дисками 11 и 12 по скользящей посадке (H7/h6) с зазором свободно установлен блок державок 7 с помощью растяжек в виде пружин растяжения 16. Пружины 16 одним концом закреплены на державках 7, а другим - закреплены на распорных втулках 14. Пружинные растяжки могут быть установлены как на каждой державке, так и на какой-то одной, ввиду того, что все державки объединены в блок пружинами сжатия 9.

Сборку двухкольцевого приспособления осуществляют в следующей последовательности. К корпусу 1, сваренному из отдельных элементов: полудиска 2, планок 3 и ребер жесткости 4, крепится винтами 13 диск 11. Отдельно собирается блок державок 7. Сборка блока державок 7 заключается в установлении в каждую державку 7 подшипника 6 и деформирующего элемента - кольца 5 и их соединение в блок с помощью установки пружин сжатия 9, которые в сжатом состоянии вставляются в периферийные пазы 8 державок 7, и закрепление растяжек - пружин 16.

Заканчивается общая сборка двухкольцевого приспособления установкой диска 12 и крепление его с помощью роликов 14 винтами 15, с предварительной установкой между дисками 11 и 12 блока державок 7 в сборе, при этом производится натяжение, закрепление пружин 16 на роликах 14 и постановка планок 25 с винтами 24.

По окончании сборки производится проверка и при необходимости регулировка зазоров между дисками 11 и 12 и блоком державок 7 путем установки шайб (не показаны) между роликами 14 и диском 11 с целью свободного без люфта поперечного смещения блока державок 7 относительно дисков 11 и 12.

Работа двухкольцевого приспособления заключается в следующем.

При финишной обработке поверхностным пластическим деформированием обкатыванием вал 17, прошедший предварительную, например, токарную обработку, закрепляют в патроне 18 шпинделя 19 передней бабки 20, подводят двухкольцевое приспособление, вводят свободный конец заготовки вала в отверстие приспособления и поджимают центром 21 задней бабки 22. Определенные трудности представляет собой введение заготовки в отверстие двухкольцевого приспособления. Так как отверстие, образованное деформирующими кольцами соседних державок, находящихся в свободном состоянии, будет меньше обрабатываемого диаметра заготовки, необходимо радиально разводить державки, преодолевая сопротивление пружин сжатия 9. Развод державок 7 можно осуществить несколькими способами: за счет продольной подачи и принудительного развода державок благодаря фаски 23, имеющейся на заготовке, специальным рычажным инструментом в виде ножниц (не показаны) или способом, показанным на фиг.8, при котором поперечное смещение державок 7 осуществляют регулировочными винтами 24, установленными против соответствующих державок, путем ввинчивания их в планки 25, которые закреплены в пазах дисков 11 и 12.

Обрабатываемому валу сообщают вращательное движение V_з. Скорость вращения заготовки задают в зависимости от требуемой производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость составляет 30...150 м/мин.

Двухкольцевому приспособлению сообщают продольную подачу S_пр в одну сторону. Оптимальную подачу определяют по формуле: ,

где k - число деформирующих элементов; S_э - подача на один деформирующий элемент принимается для деформирующих охватывающих колец, представляющих собой в сечении - тор с радиусом R_у по внутренней поверхности (фиг.9).

Наличие упругого элемента 9 обеспечивает постоянное усилие обкатывания в любой точке обрабатываемой поверхности. Установка требуемого усилия обкатывания осуществляется сменой пружин сжатия 9.

У двухкольцевого приспособления кольца смещены по оси относительно друг друга, что обеспечивает лучшее качество обработки [1].

Применение в качестве деформирующего элемента охватывающего кольца позволяет вести обработку с улучшенной шероховатостью и качеством и с большей производительностью благодаря следующему. При рассмотрении формы и размеров контакта деформирующего кольца с обрабатываемой заготовкой (фиг.10), можно отметить, что он происходит по некоторой площади, значительно большей, чем при обкатывании традиционными роликами или шариками, при этом изменяется форма границы внесилового деформирования, а именно, деформирующая поверхность кольца является охватывающей и близкой по геометрическим параметрам к обрабатываемой поверхности вала. Это позволяет не допускать появление поперечной пластической волны, показанной на фиг.10, идущей перед контактом с деформирующим элементом в поперечном направлении, что уменьшает вероятность трещинообразования и отслаивания обработанного поверхностного слоя.

Внутренняя рабочая поверхность охватывающего заготовку кольца выполнена трехступенчатой, где каждая ступень представляет собой:

первая ступень - передний сглаживающий конус высотой В_с, диаметром D_кс и углом конусности α_с=4...7°, назначение которого не допускать появление пластической волны (схематично показанной на фиг.9), идущей перед контактом заготовки с упрочняющим пояском деформирующего элемента в направлении продольной подачи, что уменьшает вероятность трещинообразования и отслаивания обработанного поверхностного слоя;

вторая ступень - рабочий профиль для упрочняющей обработки, который со стороны переднего сглаживающего конуса имеет форму тора с радиусом профиля R_у, плавно переходящий в цилиндрический поясок высотой В_у диаметром D_ку;

третья ступень - задний конус высотой В_ос диаметром D_ку и обратным углом конусности α_о=1...3°, назначение которого не допускать появление остаточной пластической волны, идущей после контакта деформирующего элемента с заготовкой, что улучшает шероховатость обработанной поверхности.

Ступени кольца расположены последовательно в направлении продольной подачи, причем внутренний рабочий диаметр отверстия кольца зависит от диаметра обрабатываемой заготовки и определяется по формуле:

D_ку=(1,1...1,3)D_з.

Внутренний минимальный диаметр отверстия охватывающего кольца по упрочняющему пояску связан с внутренним максимальным диаметром отверстия охватывающего кольца по сглаживающему пояску следующим соотношением: D_ку=D_кс-2b

где D_ку - внутренний минимальный диаметр отверстия охватывающего кольца по упрочняющему пояску, мм;

D_кс - внутренний максимальный диаметр отверстия охватывающего кольца по сглаживающему пояску, мм;

D_з - диаметр обрабатываемой поверхности заготовки;

b - величина, на которую изменяется размер после обработки, мм.

Предлагаемое кольцо, как отмечалось выше, по наружной поверхности установлено в подшипнике и имеет возможность свободного вращения, а заданные результаты достигаются за один рабочий проход в одном направлении.

Сочетание торообразной и цилиндрической частей во второй ступени кольца (R_у=5...200 мм; D_ку=40...200 мм) позволяет добиться высоких требований к шероховатости обработанной поверхности.

Производительность процесса обкатывания определяется радиусом профиля R_у и высотой B_у цилиндрического пояска кольца. Кольца с большими радиусом профиля R_у и высотой B_у позволяют вести обработку с большой подачей (до 2,5 мм/об), однако в этом случае для получения высокого качества поверхности необходимо создавать большие рабочие усилия. От значения допустимого рабочего усилия зависят параметры кольца. Чем больше высота B_у цилиндрического пояска, тем больше может быть подача. При обработке массивных деталей на крупных станках поясок B_у следует делать более широким (более 12...15 мм), так как обработать такие детали на большой частоте вращения довольно сложно, а большая подача может быть применена с успехом. Для обработки деталей меньшей жесткости, когда усилие обкатывания не должно быть большим, применяют кольца с пояском шириной 2...5 мм. Установка колец с цилиндрическим пояском на станках затруднительна. Для обеспечения их правильного положения применяют специальные приспособления (пример одного из них см. на фиг.1-10) с самоустанавливающимися устройствами. Высота пояска B_у в этом случае равна 15...40 мм, подача - 5...15 мм/об. Кольца изготовляют из сталей: легированных ШХ17, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А, быстрорежущих Р6М5, Р9, твердого сплава ВК8. Твердость рабочей поверхности колец из сталей HRC 62...65. Параметр шероховатости поверхности рабочего профиля R_a=0,32 мкм.

При переходе на обработку другого типоразмера вала в приспособлении достаточно заменить блок державок и деформирующие элементы.

Пример. Обрабатывался обкатыванием нежесткий вал, который имел следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина рабочей части - 1208 мм, диаметр поперечного сечения вала - D=27^-0,05 мм, шероховатость R_a=0,4 мкм; материал - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207...228, масса - 5,8 кг. Предварительная обработка точением и финишная обработка обкатыванием проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20, окружная скорость заготовки - v_з=84,78 м/мин (1,41 м/с), n_з=1000 об/мин, продольную подачу определяли по формуле и принимали , где k=2 - количество деформирующих колец в инструменте, высота деформирующих колец - 12 мм, высота упрочняющего пояска B_у=4 мм. Усилие обкатывания составляло около ≈1700 Н, глубина наклепанного слоя находилась в пределах 0,15...0,20 мм; величина, на которую изменился размер после обкатки - 0,01...0,02 мм; смазывающе-охлаждающей жидкостью при обкатывании служил сульфофрезол (5%-ная эмульсия).

Требуемая шероховатость и точность поверхности была достигнута через Т_м=3,15 мин (против мин по базовому варианту при традиционном шлифовании с помощью шлифовальной головки с последующим полированием абразивной лентой ЛВТ 2200х55 Э4, 5-8-10 ГОСТ 12439-79 на токарном станке 1К62 на АО "Ливгидромаш"). Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68. При контроле партии обработанных валов в количестве 10 шт. брак не обнаружен.

Достоинствами предлагаемых деформирующих охватывающих колец для обкатывания тел вращения являются:

- возможность обкатывания нежестких заготовок с повышением точности обработки (на 10...20%) за счет жесткой конструкции деформирующих элементов (отклонение формы не более 10...30 мкм);

- вести обкатывание на максимальных подачах по сравнению с известными деформирующими элементами;

- уменьшение погрешности предшествующей обработки;

- увеличение пятна контакта, за счет чего достигается более высокое качество обработки;

- образовать определенные макро- и микрогеометрические формы обработанной поверхности, уменьшить параметры шероховатости - сглаживать поверхности, изменять структуру материала - поверхностный наклеп и создавать определенное напряженное состояние, благоприятно действующие на износостойкость.

Благодаря использованию в качестве деформирующих элементов охватывающих колец значительно уменьшается величина пластической волны, идущая перед деформирующими элементами, и сводится на нет вероятность трещинообразования и отслаивания обрабатываемого поверхностного слоя, а использование того же станка, на котором производилась предварительная обработка поверхности заготовки, расширяет технологические возможности обработки ППД нежестких и эксцентричных валов, а также снижает себестоимость обработки, повышает производительность и улучшает качество изготовления.

Предлагаемый деформирующий инструмент для заготовок тел вращения типа валов отличается простотой в реализации, не сложен по конструкции и надежен в эксплуатации. Получаемый на поверхности заготовки структурный слой обладает повышенной твердостью и, соответственно, износостойкостью и сопротивлением усталостному разрушению.

Использование кольцевого охватывающего деформирующего инструмента позволяет повысить производительность обработки в 1,5...2,0 раза и обеспечить высокую точность и качество.

Источники информации

1. А.с. SU 1764971 А, В 24 В 39/04. Устройство для протягивания деталей. 30.09.1992 - прототип.

2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. С.387-389, рис.6, табл.3.

Деформирующий элемент для поверхностного пластического деформирования тел вращения типа валов, представляющий собой охватывающее заготовку кольцо с трехступенчатой внутренней рабочей поверхностью, выполненной в виде расположенных, соответственно, последовательно в направлении продольной подачи переднего сглаживающего конуса, упрочняющего пояска и заднего конуса, отличающийся тем, что кольцо установлено в подшипнике с возможностью свободного вращения, а его внутренний диаметр определен по формулам

D_ку=(1,1...1,3)D_з;

D_ку=D_кс-2b,

где D_ку - внутренний минимальный диаметр отверстия охватывающего кольца по упрочняющему пояску, мм;

D_кс - внутренний максимальный диаметр отверстия охватывающего кольца по сглаживающему пояску, мм;

D_з - диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм;

b - величина, на которую изменяется размер после обработки, мм