Инструмент для фрикционного поверхностного упрочнения сферических поверхностей
Владельцы патента RU 2283749:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) (RU)
Изобретение относится к металлообработке и может быть использовано для фрикционного поверхностного упрочнения рабочих сферических поверхностей. Инструмент содержит корпус и рабочую часть, выполненную из материала с низким коэффициентом теплопроводности. В качестве корпуса использована ступенчатая оправка, рабочая часть выполнена в виде втулки, с расположенной на ее торце прерывистой рабочей сферической поверхностью, ответной обрабатываемой сферической поверхности, имеющей впадины в виде радиальных пазов, и установлена с возможностью самоустановки на меньшей ступени оправки на пакете тарельчатых пружин. Длина каждого выступа, образованного радиальными пазами минимум в два раза превышает ширину паза, а на наружной поверхности втулки выполнены ребра, способствующие интенсивному охлаждению. При этом инструмент установлен под определенным углом к плоскости, перпендикулярной оси заготовки и проходящей через центр обрабатываемой сферической поверхности. Снижается трудоемкость обработки и повышается качество упрочненного слоя. 3 ил.
Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано для фрикционного поверхностного упрочнения рабочих сферических поверхностей, подверженных интенсивному износу, стальных и чугунных деталей.
Известен инструмент для фрикционного поверхностного упрочнения деталей машин, который содержит корпус в виде диска из материала с низким коэффициентом теплопроводности и с рабочей поверхностью на его периферии, при этом инструмент снабжен пальцами, выполненными из материала с коэффициентом теплопроводности выше, чем у материала диска, и расположенными в радиальных отверстиях, выполненных на рабочей поверхности диска, причем диаметр пальцев берут в 1,2...2 раза больше ширины рабочей поверхности диска [1].
Недостатками известного инструмента являются удары и вибрации, возникающие в результате быстрого износа пальцев - теплоносителей, изготавливаемых из мягкого быстроизнашивающегося (из меди или латуни) материала, которые резко снижают качество и производительность. При этом быстрый износ пальцев усугубляет значительные силы прижима инструмента к обрабатываемой заготовке (до 1000 Н). Кроме того, сложность конструкции инструмента (наличие дюралюминиевого корпуса в виде ступицы, фланца, болтов и медных или латунных пальцев) при его низкой стойкости требует значительных первоначальных и последующих затрат при эксплуатации, что повышает себестоимость обработки. Обрабатывать сферические поверхности известным инструментом весьма сложно.
Задача изобретения - расширение технологических возможностей обработки сферических поверхностей, снижение трудоемкости обработки и повышение качества упрочненного слоя сферических поверхностей за счет увеличения его толщины, снижение себестоимости процесса фрикционного поверхностного упрочнения благодаря упрощению конструкции инструмента и повышения износостойкости его.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого инструмента для фрикционного поверхностного упрочнения сферических поверхностей деталей машин, который содержит корпус и рабочую часть из материала с низким коэффициентом теплопроводности, при этом в качестве корпуса используют ступенчатую оправку, на меньшей ступени которой на пакете тарельчатых пружин установлена рабочая часть в виде втулки, выполненная из материала с низким коэффициентом теплопроводности, с прерывистой рабочей сферической поверхностью на торце, ответной обрабатываемой сферической поверхности, с впадинами в виде радиальных пазов и с возможностью самоустанавливаться, при этом на наружной поверхности втулки выполнены ребра, способствующие интенсивному охлаждению, причем длина выступа минимум в 2 раза больше ширины паза, кроме того, инструмент установлен под углом β к плоскости, перпендикулярной оси заготовки и проходящей через центр сферы, определяемый по формуле:
β=arcsin(h/Rсф),
где h - величина смещения плоскости вращения рабочего торца инструмента относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, зависящая от конструктивных параметров заготовки, мм;
Rсф - радиус обрабатываемой сферической поверхности, мм.
Особенности конструкции инструмента поясняются чертежами.
На фиг.1 изображена схема обработки предлагаемым инструментом, имеющим продольный разрез; на фиг.2 - общий вид инструмента, вид по А на фиг.1; на фиг.3 - вид по Б на фиг.2.
Предлагаемый инструмент предназначен для фрикционного поверхностного упрочнения наружных сферических поверхностей деталей машин, которое заключается в том, что заготовке 1 и инструменту 2 сообщают вращательные движения, соответственно Vз и Vи, с постоянным усилием Р прижима инструмента к заготовке. Инструмент 2 содержит корпус 3 в виде двухступенчатой оправки. На меньшей ступени 4 оправки напрессована втулка 5 со сферической наружной поверхностью, на которой по свободной посадке с зазором установлена рабочая втулка 6, выполненная из материала с низким коэффициентом теплопроводности. Втулка 6 опирается одним торцом на пакет тарельчатых пружин 7, а второй свободный торец 8, которым инструмент контактирует с заготовкой, является рабочим и выполнен сферическим, ответным обрабатываемой сферической поверхности заготовки 1. При этом рабочий торец 8 инструмента выполнен прерывистым благодаря выступам и впадинам, образованными радиальными продольными пазами 9. Длина выступа минимум в 2 раза больше ширины паза 9.
Передачу вращающего момента с оправки 3 на рабочую втулку 6 осуществляют с помощью винтов 10, ввернутых в напрессованную втулку 5 и меньшую ступень 4 и расположенных в специальных пазах 11 втулки 6.
Установка рабочей втулки 6 с опорой одним торцом на пакет тарельчатых пружин 7 вызвана необходимостью самоустанавливаться инструменту по сферической поверхности обрабатываемой заготовки 1 и добиваться полного контакта всеми выступами рабочего торца втулки.
На наружной поверхности рабочей втулки 6 выполнены ребра 12, способствующие интенсивному воздушному охлаждению инструмента и отводу тепла в атмосферу благодаря высокой частоте вращения инструмента.
Рабочая втулка 6 выполнена из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из нержавеющей стали или титанового сплава. Охлаждающие ребра 12 выполнены из алюминиевого сплава и известными способами закреплены на рабочей втулке 6.
Как правило, обрабатываемая сферическая поверхность заготовки - неполная (см. фиг.1) и примыкает шейкой к хвостовику, поэтому инструмент, его продольную ось, устанавливают под углом β к плоскости, перпендикулярной оси заготовки и проходящей через центр сферы, определяемый по формуле:
β=arcsin(h/Rсф),
где h - величина смещения плоскости вращения рабочего торца инструмента относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, зависящая от конструктивных параметров заготовки, мм;
Rсф - радиус обрабатываемой сферической поверхности, мм.
Работа предлагаемого инструмента основана 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 фрикционного поверхностного упрочнения, как движение образующей линии окружности, описанной рабочим торцом инструмента, 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.
Фрикционное поверхностное упрочнение осуществляется, например, на токарных станках. Инструмент устанавливается в специальном приспособлении с индивидуальным электроприводом на суппорте токарного станка. Заготовка закрепляется в приспособлении на шпинделе токарного станка. Инструмент вращается с окружной скоростью Vи=65...70 м/с и прижимается с постоянным усилием Р=0,65...1,0 кН к обрабатываемой заготовке, которая вращается с окружной скоростью Vз=0,02...0,08 м/с. Ширина площади контакта инструмента с обрабатываемой заготовкой (см. фиг.1) составляет В=1...3 мм. При трении инструмента и заготовки в зоне их контакта происходит импульсный нагрев поверхности обрабатываемой заготовки до температуры 800...1000°С. В зону обработки подают смазывающе-охлаждающую жидкость (СОЖ), которая обеспечивает быстрое охлаждение упрочняемой поверхности. В результате упрочнения на поверхности заготовки возникают структуры белых слоев толщиной 0,1...0,15 мм с повышенной микротвердостью 7...10 ГПа. В зоне фрикционного скользящего контакта определенное количество теплоты, а именно большая часть ее, уходит в быстровращающийся инструмент. Поэтому в качестве материала диска выбирают титановый сплав или нержавеющую сталь, обладающие низкой теплопроводностью (λ=21,9...25,5 Вт/м·К).
При круговом перемещении зоны контакта, благодаря наличию впадин и выступов на рабочей поверхности инструмента, выступы инструмента постоянно входят в контакт с охлажденной поверхностью заготовки, при этом элементарный участок зоны контакта заготовки нагревается при прохождении выступа инструмента, затем мгновенное прерывание нагревания и охлаждение при прохождении впадины. Это приводит к циклическому изменению температуры на поверхности упрочняемой заготовки и соответственно к увеличению глубины упрочненного слоя до 0,15...0,22 мм. Изменением длины впадины и их количеством на основном диске можно регулировать глубину и микротвердость упрочненного слоя.
При величине отношения длины выступа к длине впадины меньше 2 увеличение глубины упрочненного слоя незначительное, однако возникает большая вероятность перегрева инструмента.
Пример. На модернизированном станке мод. 16К20Т1 упрочняли заготовку в виде шарового пальца ИК-40.00.001 диаметром сферической поверхности 40h8 (-0,039) мм из стали 50ХФА ГОСТ 4543-71 в нормализованном состоянии. Модернизация заключалась в установлении на поперечный суппорт устройства с электромеханическим высокоскоростным приводом инструмента, рабочая втулка которого выполнена из титанового сплава ВТ-5 с шириной рабочей поверхности 2 мм и наружным диаметром 30 мм. Индивидуальный высокооборотный электропривод вращает инструмент с окружной скоростью 62,8 м/с (40000 мин-1). Линейная скорость вращения упрочняемой заготовки 0,05 м/с (31 мин-1). Давление диска на заготовку, создаваемое механизмом поперечной подачи станка, составляет 0,8 кН. В зону обработки подавали СОЖ в виде масла индустриального И-12А. Длина впадины на рабочей поверхности втулки - 4,5 мм, а длина выступа - 9 мм. Количество впадин и выступов - 6.
Полученные глубина и микротвердость упрочненного слоя (белой зоны) составляла соответственно 0,17...0,19 мм и 8...9 ГПа с постепенным понижением микротвердости по глубине до исходного состояния - 2,3...2,7 ГПа. При повышении скорости вращения упрочняемой заготовки в два раза глубина упрочненного слоя составила 0,12...0,14 мм.
Таким образом, инструмент позволяет повысить производительность процесса.
При уменьшении длины впадины основного диска до 2,5 мм глубина упрочненного слоя уменьшается до 0,13...0,15 мм. Увеличение длины впадины до 7 мм приводит к незначительному увеличению глубины упрочненного слоя (с 0,17...0,19 мм до 0,18...0,20 мм). При уменьшении количества впадин в два раза глубина упрочненного слоя уменьшается до 0,13...0,15 мм. При увеличении количества впадин в 2 раза глубина упрочненного слоя составляет 0,18...0,20 мм. Микротвердость без изменений.
Предлагаемый инструмент прост по конструкции и надежен в эксплуатации. Получаемые на поверхности упрочняемой заготовки структуры белых слоев обладают повышенной твердостью, а соответственно, износостойкостью и сопротивлением усталостному разрушению. Инструмент позволяет повысить производительность обработки в 1,5...2,0 раза.
Источник информации
1 А.с. СССР №1712135, МКИ В 24 В 39/04. Инструмент для фрикционного поверхностного упрочнения. В.И.Кырылив и Т.H.Каличак. №4732876/27, заяв. 29.08.90, опубл. 15.02.92. Бюл. №6 - прототип.
Инструмент для фрикционного поверхностного упрочнения сферических поверхностей деталей машин, содержащий корпус и рабочую часть, выполненную из материала с низким коэффициентом теплопроводности, отличающийся тем, что в качестве корпуса использована ступенчатая оправка, рабочая часть выполнена в виде втулки с расположенной на ее торце прерывистой рабочей сферической поверхностью, ответной обрабатываемой сферической поверхности, имеющей впадины в виде радиальных пазов, и установлена с возможностью самоустановки на меньшей ступени оправки на пакете тарельчатых пружин, длина каждого выступа, образованного радиальными пазами минимум в два раза превышает ширину паза, а на наружной поверхности втулки выполнены ребра, способствующие интенсивному охлаждению, при этом инструмент установлен под углом β к плоскости, перпендикулярной оси заготовки и проходящей через центр обрабатываемой сферической поверхности, определяемый по формуле
β=arcsin(h/Rсф),
где h - величина смещения плоскости вращения рабочего торца инструмента относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, зависящая от конструктивных параметров заготовки, мм;
Rсф - радиус обрабатываемой сферической поверхности, мм.
