Устройство для импульсно-ударного деформирования сферической поверхности

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к поверхностному пластическому деформированию. Устройство содержит имеющий индивидуальный высокоскоростной привод корпус, выполненный в виде охватывающего заготовку кольца с деформирующими элементами, расположенными на беговой дорожке внутренней поверхности, ось планетарного вращения устройства расположена под углом к плоскости, перпендикулярной оси заготовки и, проходит через ее центр. Кольцо установлено в имеющем индивидуальный привод кривошипе с возможностью обеспечения дополнительного планетарного вращения относительно оси, проходящей через центр заготовки, параллельной и смещенной относительно собственной оси на величину эксцентриситета. Расширяются технологические возможности, повышается производительность и улучшается качество. 5 ил.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к изготовлению оснастки для обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием (ППД), и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки неполных сферических поверхностей, например автомобильных шаровых пальцев.

Известен способ центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием, реализуемый инструментами с деформирующими элементами (шариками или роликами), размещенными в радиальных пазах дисков [1]. При работе элементы могут смещаться в радиальном направлении. Создается натяг и за счет высокой скорости вращения диска с элементами последние наносят по поверхности заготовки многочисленные удары, пластически деформируя поверхность, и мгновенно отскакивают от нее.

Чистовая обработка центробежным поверхностным пластическим деформированием сферических наружных поверхностей известным инструментом является весьма сложной, а в ряде случаев невозможной, что является существенным недостатком.

Известно устройство для импульсно-ударного деформирования сферической поверхности, содержащее имеющий индивидуальный высокоскоростной привод корпус, выполненный в виде охватывающего заготовку кольца с деформирующими элементами, расположенными на беговой дорожке внутренней поверхности, а ось его планетарного вращения расположена под углом к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки, и проходит через ее центр [2]. Недостатком известного устройства является сложная наладка на чистовую обработку центробежным поверхностным пластическим деформированием сферических наружных поверхностей, что удорожает процесс и себестоимость обработки.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей оснастки для импульсно-ударного ППД сферических поверхностей путем использования охватывающего инструмента в виде кольца с деформирующими элементами - шариками, расположенными на внутренней поверхности, позволяющего улучшить качество обрабатываемой поверхности, повысить производительность и снизить себестоимость обработки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для импульсно-ударного деформирования сферических поверхностей, содержащего имеющий индивидуальный высокоскоростной привод корпус, выполненный в виде охватывающего заготовку кольца с деформирующими элементами, расположенными на беговой дорожке внутренней поверхности, ось его планетарного вращения устройства расположена под углом к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки, и проходит через ее центр, причем кольцо установлено в имеющем индивидуальный привод кривошипе с возможностью обеспечения дополнительного планетарного вращения относительно оси, проходящей через центр заготовки, параллельной и смещенной относительно собственной оси на величину эксцентриситета е, при этом угол наклона α упомянутой оси планетарного вращения устройства и эксцентриситет определен по формулам:

R_з - радиус сферы обрабатываемой заготовки, мм;

R_к - внутренний радиус кольца по вершинам деформирующих элементов, мм;

h - величина смещения плоскости вращения деформирующих элементов относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, как это изображено на чертеже (фиг.1), и зависящая от конструктивных параметров заготовки, мм.

На фиг.1 показано устройство и схема обработки, плоскость вращения деформирующих элементов в виде шариков показана проходящей через центры шариков на расстоянии h от центра обрабатываемой сферической поверхности; на фиг 2 - схема обработки, где инструмент повернут на 180°, относительно положения, показанного на фиг.1; на фиг.3 - сечение А - А на фиг.1; на фиг.4 - элемент Б на фиг.2, вариант крепления деформирующих элементов в беговой дорожке кольца завальцовыванием или чеканкой; на фиг.5 - элемент Б на фиг.2, вариант крепления деформирующих элементов в беговой дорожке кольца с помощью сепаратора.

Предлагаемое устройство относится к оснастке для импульсно-ударного пластического деформирования сферических поверхностей, работа которого заключается в том, что обрабатываемой заготовки и деформирующему инструменту сообщают вращательные движения, причем деформирующему инструменту сообщают движение по окружности, лежащей в плоскости, смещенной относительно центра обрабатываемой сферической поверхности [3].

Предлагаемое устройство имеет деформирующие элементы, которые наносят по поверхности заготовки многочисленные удары, пластически деформируя поверхность.

Работа устройства для импульсно-ударного деформирования неполных сферических поверхностей основана на свойстве сферической поверхности, заключающейся 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 деформирующими элементами, плоскость которых смещена относительно центра сферы, по направляющей линии - окружности, полученной за счет вращения обрабатываемой заготовки. Таким образом, точность формообразования сферы определяется не профилем инструмента устройства, а точностью траектории этих движений, т.е. кинематикой процесса, что позволяет получить сферические поверхности высокой точности.

Для поверхностного импульсно-ударного деформирования сферической поверхности заготовки 1, предварительно обработанной, например, точением, ее закрепляют в приспособлении 2 и сообщают вращательное движение V_з вокруг собственной оси, а импульсно-ударному деформирующему инструменту 3 устройства - поперечную S_поп и продольную S_пр подачи (последние используют при настройке).

Инструмент 3 устройства представляет собой корпус в виде кольца 4, на внутренней поверхности которой на беговой дорожке расположены деформирующие элементы 5 (шарики, ролики и т.п.); внутренний радиус кольца - по вершинам деформирующих элементов равен R_к. Кольцу 4 сообщают высокоскоростное вращательное движение V_к относительно собственной оси О_к-О_к от индивидуального электродвигателя или редуктора (не показаны).

Кольцо 4 с деформирующими элементами 5 охватывает обрабатываемую сферическую поверхность заготовки 1 и благодаря сообщению инструменту 3 устройства планетарного движения обкатывания V_и обеспечивается перемещение контакта деформирующих элементов 5 с заготовкой 1 по окружности. Для осуществления планетарного движения обкатывания V_и использован кривошип 6, который имеет индивидуальный привод (не показан). С помощью кривошипа 6 ось О_к-О_к кольца 4 с деформирующими элементами 5 и ось вращения инструмента О_и-О_и, проходящей через центр сферы О_з заготовки, параллельны и разнесены на величину эксцентриситета е, определяемую по формуле:

где е - величина смещения оси О_и-О_и вращения инструмента относительно оси О_к-О_к вращения кольца, мм;

R_к - внутренний радиус кольца по вершинам деформирующих элементов, мм;

h - величина смещения плоскости вращения деформирующих элементов относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, как это изображено на чертеже (фиг.1), и зависящая от конструктивных параметров заготовки, мм.

α - угол наклона инструмента к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр сферы, град.

Подвижное крепление деформирующих элементов 5 в беговой дорожке кольца 4 может быть осуществлено, например, завальцовыванием или чеканкой (см. фиг.4) с помощью сепаратора 7, который крепится болтами 8 или заклепками к внутренней поверхности кольца (см. фиг.5) или другим известным способом.

Так как обработке подвергается неполная сферическая поверхность, то ось деформирующего инструмента 3 устройства устанавливается под углом а к плоскости, перпендикулярной оси вращения заготовки 1 и проходящей через центр сферы О_з [2], при этом угол а определяется по формуле:

где R_з - радиус сферы обрабатываемой заготовки, мм;

Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности, полученные с помощью предлагаемого устройства, зависят от силы удара и числа ударов, приходящихся на 1 мм² поверхности. Эти параметры, в свою очередь, зависят от окружной скорости кольца, натяга, размера элементов, их числа в кольце, частоты вращения, величины круговой подачи заготовки и числа проходов.

Режимы импульсно-ударного деформирования для предлагаемого устройства, снащенного, например, шариками диаметром 7...10 мм и стальных заготовок следующие: окружная скорость кольца - V_к≈15...40 м/с, планетарная скорость обкатывания инструмента - V_и≈0,5...1,5 м/с, окружная скорость заготовки - V_з≈0,5...1,5 м/с, число проходов (т.е. число оборотов заготовки) - 2...3, натяг - 0,1...0,25 мм, повышение твердости на 15...55%.

В результате импульсно-ударной пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя предлагаемым устройством параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,1...0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8...3,2 мкм. Твердость поверхности увеличивается на 30...80% при глубине наклепанного слоя 0,3...3,0 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 400...800 МПа.

Предварительная обработка заготовки: шлифование до значения параметра шероховатости Ra=0,4...1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью Ra=3,2 мкм.

Устройство для импульсно-ударного деформирования позволяет создать на обрабатываемой сферической поверхности регулярный микрорельеф, способный удерживать смазывающие материалы и продлевать ресурс работы деталей (шаровых пальцев и др.) при эксплуатации.

Устройство для импульсно-ударного деформирования применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58...64. Помимо сферических поверхностей вращения этим устройством обрабатывают цилиндрические и другие фасонные, а также прерывистые поверхности и места сопряжений поверхностей.

При промышленных испытаниях устройства установленную в специальном электромеханическом приспособлении на шпинделе передней бабки токарного станка мод. 16К20ФЗ заготовку пальца шарового верхнего 2101-2904187, изготовленную из стали 20Х ГОСТ 1050-74, обрабатывают сферическую поверхность диаметром 32,7±0,1; исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,63 мкм; деформирующий инструмент - шарики диаметром 4 мм из стали ШХ15, твердостью HRC 63...65, расположенные в кольце во внутренней беговой дорожке, внутренний радиус по вершинам деформирующих элементов R_к=20,57 мм, величина смещения плоскости вращения деформирующих элементов относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, как это изображено на фиг.1 - 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.

Импульсно-ударное ППД вели на следующих режимах: окружная скорость кольца - V_к≈15 м/с; планетарная скорость обкатывания инструмента - V_и≈0,5 м/с (n_и=235 мин^-1), окружная скорость заготовки - V_з≈0,5 м/с (n_з=300 мин^-1), число проходов (т.е. число оборотов заготовки) - 3, натяг - 0,2 мм, поперечную S_поп и продольную S_пр подачи - ручные, осуществляли до значения усилия обкатывания, равное 170...175 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; повышение твердости на 25...30%; при обкатывании деформирующие элементы смазывали смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность детали - керосином.

Требуемая шероховатость и точность сферической поверхности были достигнуты через Т_м=0,71 мин (против Т_м ^баз=2,75 мин по базовому варианту при традиционной обработке обкатыванием [2] 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 AII 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 предлагаемого устройства для импульсно-ударного деформирующего инструмента с дополнительным планетарным движением позволяет достичь высокой производительности обработки (требуется всего 2...4 оборота заготовки), обеспечить высокую точность, снизить величину шероховатости обработанной поверхности и уменьшить себестоимость обработки.

Источники информации, принятые во внимание

1 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.412-414 - прототип.

2 Патент РФ 2 031 770, 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.

Устройство для импульсно-ударного деформирования сферических поверхностей, содержащее имеющий индивидуальный высокоскоростной привод корпус, выполненный в виде охватывающего заготовку кольца с деформирующими элементами, расположенными на беговой дорожке внутренней поверхности, ось планетарного вращения устройства расположена под углом к плоскости, перпендикулярной оси заготовки и проходит через ее центр, отличающееся тем, что кольцо установлено в имеющем индивидуальный привод кривошипе с возможностью обеспечения дополнительного планетарного вращения относительно оси, проходящей через центр заготовки, параллельной и смещенной относительно собственной оси на величину эксцентриситета е, при этом угол наклона α упомянутой оси планетарного вращения устройства и эксцентриситет определен по формулам

где R_з - радиус сферы обрабатываемой заготовки, мм;

R_к - внутренний радиус кольца по вершинам деформирующих элементов, мм;

h - величина смещения плоскости вращения деформирующих элементов относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, как это изображено на фиг.1, и зависящая от конструктивных параметров заготовки, мм.