Устройство для статико-импульсного раскатывания

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. Устройство содержит оправку, волновод, боек и сменные деформирующие элементы. На центральной продольной оси оправки размещены выполненные в виде стержней волновод и боек. Боек установлен с возможностью воздействия на волновод для передачи периодической импульсной нагрузки. Сменные деформирующие инструменты закреплены на радиально расположенных плунжерах. На плунжерах смонтированы пакеты тарельчатых пружин для обеспечения приложения статической нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности. Для воздействия на свободный торец волновода установлена винтовая цилиндрическая пружина сжатия. Поверхность волновода выполнена конической и расположена в контакте со свободными торцами плунжеров. В результате расширяются технологические возможности статико-импульсной обработки. 6 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагружением инструмента.

Известен способ и устройство для чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием [1], при котором сообщают движения подачи и скорости обработки инструменту и заготовке, контактирующим под приложенной к инструменту нормально к обрабатываемой поверхности постоянной статической нагрузкой в диапазоне усилий, обеспечивающих достижение заданной шероховатости, и периодической импульсной нагрузкой, изменяющейся в установленном диапазоне от минимального до максимального значения. При этом частоту пульсации нагрузки выбирают в зависимости от требуемой глубины наклепа.

Способ и устройство, реализующее его, отличается ограниченными возможностями, низким кпд, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен способ и устройство для статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, осуществляемой инструментом, к которому нормально к обрабатываемой поверхности прикладывают постоянную статическую нагрузку и перпендикулярную импульсную нагрузку, которая сообщается посредством бойка и волновода, а форму, амплитуду, эффективную длительность и частоту единичных импульсов силы деформирования определяют по приведенным формулам [2].

Известный способ и устройство отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом внутренней поверхности путем использования устройства и инструмента специальной формы.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного раскатывания, содержащего оправку, на центральной продольной оси которой размещены выполненные в виде стержней волновод и боек, последний из которых установлен с возможностью воздействия на волновод для передачи периодической импульсной нагрузки, причем оно снабжено сменными деформирующими инструментами, закрепленными на радиально расположенных плунжерах, смонтированными на плунжерах пакетами тарельчатых пружин для обеспечения приложения статической нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности и винтовой цилиндрической пружиной сжатия для воздействия на свободный торец волновода, поверхность которого выполнена конической и расположена в контакте со свободными торцами плунжеров.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки предлагаемым устройством для статико-импульсного раскатывания, продольный разрез; на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - общий вид устройства; на фиг.4 - вид Б слева на фиг.3; на фиг.5 - схема способа введения устройства в обрабатываемое отверстие; на фиг.6 - поперечное сечение В-В на фиг.2.

Предлагаемое устройство служит для поверхностного пластического деформирования внутренней поверхности с использованием постоянной статической и периодической импульсной нагрузки на инструмент.

Заготовка 1 получает вращение V_з, а устройство для раскатывания в виде оправки 2 - движение продольной подачи S_пр вдоль оси обрабатываемой заготовки. Деформирующие инструменты 3 выполнены сменными и закреплены на торцах радиально расположенных плунжеров 4 в количестве, принимаемом по конструктивным соображениям.

Свободные торцы плунжеров 4 контактируют с конической поверхностью волновода 5. Волновод 5 и боек 6 расположены на центральной продольной оси оправки 2. На плунжерах 4 смонтированы пакеты тарельчатых пружин 7, благодаря которым создается статическая нагрузка, действующая по нормали на обрабатываемую поверхность заготовки 1. Выбор количества и конструкции тарельчатых пружин (ГОСТ 3057-79) зависит от конкретных условий обработки и технических требований к обрабатываемой поверхности

В качестве механизма импульсного нагружения инструментов применяется гидравлический генератор импульсов [3, 4]. Заготовке сообщают вращательное движение, а предлагаемому устройству - продольную подачу, вводят их в контакт с помощью разъемного кольца 8 (фиг.5) с конической внутренней поверхностью, позволяющей свести к продольной оси разведенные под действием пакета тарельчатых пружин плунжеры с инструментами. Периодическую импульсную Р_им нагрузку прикладывают в направлении продольной подачи и благодаря клиноплунжерному механизму, состоящему из плунжеров 4 и конического волновода 5, направляют ее по нормали к обрабатываемой поверхности.

Периодическую импульсную нагрузку Р_им осуществляют с помощью бойка 6, воздействующего на торец волновода 5, который своим конусом радиально разводит плунжеры с инструментом. С целью отвода волновода после удара в первоначальное положение (согласно фиг.1, вправо) на свободный торец волновода воздействует винтовая цилиндрическая пружина сжатия 9 (ГОСТ 13766-68).

В результате удара бойка 6 по торцу волновода 5 в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать на плунжеры, на инструменты 3 и на обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов. Дойдя до обрабатываемой поверхности, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы деформации.

В современном машиностроении в процессах динамического поверхностно-пластического деформирования преимущественно используются деформирующие инструменты, имеющие сферическую, дисковую или цилиндрическую форму, инструмент в виде дискового ролика двойной кривизны, инструмент в виде резьбового ролика для раскатывания резьбовой поверхности и т.д. Поэтому в предлагаемом устройстве деформирующие инструменты 3 выполнены сменными, закреплены на торцах радиально расположенных плунжеров 4 (фиг.6). Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструмента.

Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым устройством, достигает 1,5...2,5 мм, что значительно (в 3...4 раза) больше, чем при традиционном статическом упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15...30%. В результате статико-импульсной обработки предлагаемым устройством по сравнению с традиционным раскатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 1,8...2,7 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7...2,2 раза.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки гильзы с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частоты ударов, радиус инструмента, величина подачи) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность ударного воздействия на элементарную площадку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6...10. Дальнейшее увеличение кратности деформирующего воздействия ведет к разупрочнению.

Величина силы статического поджатия инструмента к обрабатываемой поверхности составляла Р_ст≥25...40 кН; Р_им=255...400 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость "сырых" образцов - HV 270...280. Глубина упрочненного статико-импульсной обработкой слоя в 3...4 раза выше, чем при традиционном раскатывании.

Упрочненный слой при традиционном статическом раскатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. Предлагаемым устройством аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного воздействия на очаг деформации пролонгированного импульса энергии. При близких степенях упрочнения поверхностного слоя величина статической составляющей нагрузки предлагаемым устройством значительно меньше.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя статико-импульсной обработкой показали, что максимальные остаточные напряжения находятся близко к поверхности, как при чеканке, что благоприятно для большинства сопрягаемых деталей механизмов и машин. Сравнение глубины напряженного и упрочненного слоя, градиента напряжений и градиента наклепа показывает, что глубина напряженного слоя в 1,1...1,3 раза больше, чем глубина наклепанного слоя, что согласуется с теорией поверхностно-пластического деформирования.

Достигаемая в процессе обработки предлагаемым устройством предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Микровибрации в процессе, реализуемом предлагаемым устройством, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность инструмента периодически "отдыхает", что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Источники информации

1. А.с. СССР, 456719, МКИ В 24 В 39/00. Способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием, 1974.

2. Патент РФ 2098259, МКИ⁶ В 24 В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, №96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. №34.

3. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.

4. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием, 1997. Бюл. №34.

Устройство для статико-импульсного раскатывания, содержащее оправку, на центральной продольной оси которой размещены выполненные в виде стержней волновод и боек, последний из которых установлен с возможностью воздействия на волновод для передачи периодической импульсной нагрузки, отличающееся тем, что оно снабжено сменными деформирующими инструментами, закрепленными на радиально расположенных плунжерах, смонтированными на плунжерах пакетами тарельчатых пружин для обеспечения приложения статической нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности и винтовой цилиндрической пружиной сжатия для воздействия на свободный торец волновода, поверхность которого выполнена конической и расположена в контакте со свободными торцами плунжеров.