Торовое устройство для поверхностного пластического деформирования

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к устройствам отделочно-упрочняющей обработки заготовок. Устройство содержит боек и волновод и деформирующий инструмент, установленный из условия приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности заготовки. Деформирующий инструмент установлен на свободном конце волновода и выполнен в виде тора из упругого материала. Центральная ось тора расположена перпендикулярно продольной оси обрабатываемой заготовки для черновой обработки поверхности заготовки или параллельно - для чистовой обработки поверхности заготовки. Тор выполнен из условия обеспечения в месте его контакта с обрабатываемой поверхностью заготовки уменьшения расстояния между центром его окружности радиуса r и центральной осью тора. В результате расширяются технологические возможности. 10 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статикоимпульсным нагружением деформирующего 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 низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен способ и устройство для статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, осуществляемым 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.

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

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности путем использования упругого деформирующего инструмента в виде тора.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для поверхностного пластического деформирования, содержащего боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент, установленный из условия приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности заготовки, причем деформирующий инструмент установлен на свободном конце волновода и выполнен в виде тора из упругого материала, центральная ось которого расположена перпендикулярно продольной оси обрабатываемой заготовки для черновой обработки поверхности заготовки или параллельно - для чистовой обработки поверхности заготовки, при этом тор выполнен из условия обеспечения в месте его контакта с обрабатываемой поверхностью заготовки уменьшения расстояния между центром его окружности радиуса r и центральной осью тора пропорционально величине периодической импульсной нагрузки и упругим свойствам материала тора при приложении периодической импульсной нагрузки.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки предлагаемым устройством для поверхностного пластического деформирования на примере заготовки - вала, установленной в патроне и центре на токарном станке; на фиг.2 - конструкция деформирующего инструмента - тора, центральная ось которого параллельна оси обрабатываемой заготовки, и положение его при действии только статической нагрузки; на фиг.3 - вид А на фиг.2; на фиг.4 - положение деформирующего инструмента - тора, центральная ось которого параллельна оси обрабатываемой заготовки, при действии статической и периодической импульсной нагрузок; на фиг.5 - вид А на фиг.4 при действии статической и периодической импульсной нагрузок; на фиг.6 - положение деформирующего инструмента - тора, центральная ось которого перпендикулярна оси обрабатываемой заготовки, при действии статической нагрузки; на фиг.7 - вид по Б на фиг.6; на фиг.8 - положение деформирующего инструмента - тора, центральная ось которого перпендикулярна оси обрабатываемой заготовки, при действии статической и периодической импульсной нагрузок; на фиг.9 - вид по Б на фиг.6 при действии статической и периодической импульсной нагрузок; на фиг.10 - вид В на фиг.1, пятно контакта деформирующего инструмента - тора с заготовкой при различных положениях инструмента и действии статической и периодической импульсной нагрузок.

Предлагаемое устройство служит для поверхностного пластического деформирования с использованием постоянной статической Р_ст и периодической импульсной Р_им нагрузок на инструмент.

Заготовку 1, например вал, устанавливают в патроне 2 и поджимают центром 3 задней бабки токарного станка, а деформирующее устройство 4, оснащенное механизмами статического и импульсного нагружения инструмента, - в резцедержателе станка 5 (фиг.1). В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяется гидравлический генератор импульсов (не показан) [3, 4].

На свободном конце волновода 6 установлен деформирующий инструмент 7 в виде тора. Как известно, тор - поверхность, образованная вращением окружности радиусом r вокруг центральной оси, лежащей в плоскости этой окружности и не пересекающей ее [5]. Тор характеризуется двумя параметрами: радиусом r вращающейся окружности и расстоянием R от центра окружности (радиусом r) до центральной оси вращения (фиг.3).

При расположении в пространстве центральной оси тора перпендикулярно продольной оси обрабатываемой заготовки (фиг.6-9) предлагаемый деформирующий инструмент - тор используется для поверхностного пластического деформирования с меньшей глубиной упрочненного слоя, меньшей степенью упрочнения обрабатываемой поверхности и большей величиной шероховатости, чем при параллельном расположении осей инструмента и заготовки (фиг.1-5). Однако перпендикулярное расположение осей позволяет добиться более высокой производительности, чем параллельное.

Поэтому перпендикулярное расположение осей применяется при черновой обработке поверхностей, не требующих максимально достижимой глубины упрочненного слоя, степени упрочнения обрабатываемой поверхности и минимальной величины шероховатости.

Параллельное расположение осей заготовки и инструмента используется для чистовой обработки, менее производительной, но позволяющей добиться максимально достижимой глубины упрочненного слоя, степени упрочнения обрабатываемой поверхности и минимальной величины шероховатости.

Переустановку центральной оси деформирующего инструмента - тора с параллельного на перпендикулярное положение и обратно можно осуществить с помощью шпонки 9, закрепленной на волноводе 6, и двух шпоночных пазов 10, изготовленных в отверстии деформирующего устройства 4, отстоящих друг от друга на 90°.

При действии периодической импульсной нагрузки Р_им на инструмент-тор расстояние R в месте контакта от центра круга до центральной оси тора уменьшается до R_min пропорционально упругим свойствам материала тора и импульсной нагрузки. Это значит, что траектория центра окружности (радиусом r) из окружности с радиусом R превращается в эллипс с минимальной 2R_min и максимальной 2R_max осями благодаря упругим свойствам материала тора.

Инструменту 7 и заготовке 1 сообщают движение подачи S_пр и скорости V_з обработки, вводят их в контакт. В направлении нормали к обрабатываемой поверхности к деформирующему инструменту прикладывают постоянную статическую P_ст силу нагружения, создаваемую, например, суппортом токарного станка, в резцедержателе которого закреплен предлагаемый деформирующий инструмент.

Величина статической силы P_ст деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала, при этом тор, как правило, не деформируется и R не изменяется.

Импульсное нагружение Р_им осуществляется посредством удара бойка 8 гидравлического генератора импульсов (не показан) по торцу волновода 6, на котором смонтирован инструмент - тор 7. Энергия удара бойка 8 больше жесткости тора, поэтому инструмент 7 деформируется (фиг.4-5, 8-9). После прекращения действия энергии удара на инструмент он восстанавливается в первоначальное положение (фиг.2-3, 6-7).

Таким образом, за один удар бойка 8 по волноводу 6 инструмент 7 совершит одно поперечное движение к центру обрабатываемой заготовки. Частота поперечной осцилляции инструмента зависит от частоты ударов бойка гидравлического генератора импульсов.

В результате удара бойка 8 по торцу волновода 6 в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать 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.

При действии на инструмент только статической нагрузки P_ст (фиг.2-3, 6-7) внедрение его в обрабатываемую поверхность происходит на меньшую величину h_ст ^чис и h_ст ^чер и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет минимальные размеры пятна контакта d_ст ^чис и d_ст ^чер (фиг.10), при импульсной нагрузки Р_им (фиг.4-5, 8-9) внедрение инструмента в обрабатываемую поверхность происходит на большую величину h_им ^чис и h_им ^чер и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет максимальные размеры d_им ^чис и d_им ^чер пятна контакта (фиг.10).

Кроме того, на фиг.10 видно, что при перпендикулярном расположении осей заготовки и тора (фиг.6-9) пятно контакта имеет максимальные размеры в продольном направлении и поэтому продольную подачу S_пр, принимаемую в зависимости от размеров пятна контакта в направлении этой подачи, устанавливают максимальную по сравнению с параллельным расположением осей (фиг.1-5), добиваясь максимальной производительности.

Глубина упрочненного слоя обработанного предлагаемым вибрационным 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 статикоимпульсной обработки предлагаемым торовым устройством по сравнению с традиционным накатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более возрастает в 2...3 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 вала на токарном станке с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частоты ударов, 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 статикоимпульсыой обработкой слоя в 3...4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном статическом обкатывании 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 статикоимпульсной 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 поверхностного-пластического деформирования.

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

Деформации тора в процессе, реализуемом предлагаемым устройством, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Они приводят к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывают дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчают формирование упрочняемой поверхности.

Деформации инструмента способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении импульсной нагрузки и деформации тора деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний размеров инструмента резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Предлагаемое торовое устройство расширяет технологические возможности статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности.

Источники информации

1. А.с. СССР 456719, МКИ В24В 39/00. Способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием. 1974.

2. Патент РФ 2098259, МКИ⁶ В24В 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.

5. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд., исправленное. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. С.189.

Устройство для поверхностного пластического деформирования, содержащее боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент, установленный из условия приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности заготовки, отличающееся тем, что деформирующий инструмент установлен на свободном конце волновода и выполнен в виде тора из упругого материала, центральная ось которого расположена перпендикулярно продольной оси обрабатываемой заготовки для черновой обработки поверхности заготовки или параллельно - для чистовой обработки поверхности заготовки, при этом тор выполнен из условия обеспечения в месте его контакта с обрабатываемой поверхностью заготовки уменьшения расстояния между центром его окружности радиуса r и центральной осью тора пропорционально величине периодической импульсной нагрузки и упругим свойствам материала тора при приложении периодической импульсной нагрузки.