Устройство для поверхностного пластического деформирования сферических поверхностей шаровых пальцев

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к устройствам для поверхностного пластического деформирования сферических поверхностей шаровых пальцев. Устройство содержит деформирующий элемент для воздействия на заготовку с натягом и приспособление для установки заготовки с возможностью ее вращения относительно продольной оси. Деформирующий элемент выполнен в виде втулки с продольным пазом для свободного прохождения части заготовки шарового пальца, сопряженной с ее сферической поверхностью. Рабочая внутренняя поверхность деформирующего элемента выполнена в виде усеченного конуса с углом ϕ=3...5° и соединенной с его меньшим основанием цилиндрической калибрующей части. Упомянутая втулка жестко закреплена в патроне станка, выполненном с возможностью совершения движения подачи в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки. В результате расширяются технологические возможности. 2 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам и способам калибрования, деформирующего протягивания и упрочнения металлических сферических поверхностей деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД), например автомобильных шаровых пальцев.

Известен инструмент и способ обработки неполных сферических поверхностей деталей ППД, при котором обрабатываемой заготовки и деформирующему инструменту сообщают вращательное движение, причем деформирующему инструменту сообщают вращение по окружности, лежащей в плоскости, смещенной относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, при этом угловая скорость деформирующего инструмента связана с угловой скоростью обрабатываемой заготовки соотношением ω_ин>>ω_д, кроме того, дано математическое соотношение между усилием нагружения и усилием обкатывания [1].

Инструмент и способ отличается низким КПД, большой энергоемкостью, малой глубиной упрочненного слоя и небольшой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, при этом примененный не самоустанавливающийся инструмент не позволяет получать качественную обрабатываемую поверхность.

Известен двухрядный инструмент ударного действия для обработки наружных цилиндрических поверхностей, у которого первый ряд роликов установлен на упругую «плавающую» самоустанавливающуюся в радиальном направлении оправку, а второй ряд роликов смонтирован на жесткой оправке [2].

Инструмент отличается ограниченными возможностями и используется только для обработки наружных цилиндрических поверхностей, низким КПД и производительностью, небольшой глубиной упрочненного слоя и невысокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, сложностью, большой энергоемкостью и металлоемкостью конструкции, а также массогабаритными показателями.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей ППД благодаря использованию оригинальной конструкции деформирующего инструмента, позволяющей управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом обрабатываемой сферической поверхности, а также повышение производительности, качества и точности обработки заготовки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для обработки на станках сферических поверхностей шаровых пальцев, содержащего деформирующий элемент для воздействия на заготовку с натягом и приспособление для установки, базирования и закрепления заготовки с возможностью ее вращения относительно продольной оси, причем деформирующий элемент выполнен в виде втулки с продольным пазом для свободного прохождения части заготовки шарового пальца, сопряженной с ее сферической поверхностью, и с рабочей внутренней поверхностью в виде усеченного конуса с углом ϕ=3...5°для осуществления входа заготовки со стороны большего основания последнего и соединенной с его меньшим основанием цилиндрической калибрующей частью для осуществления выхода обработанной заготовки, при этом упомянутая втулка жестко закреплена в патроне станка, выполненном с возможностью совершения движения подачи в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки, а внутренняя поверхность втулки в виде усеченного конуса выполнена высотой l_к, мм:

l_к>10z/tgϕ,

где z - величина, равная половине натяга, мм,

ϕ - угол внутренней поверхности втулки в виде усеченного конуса, град.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема поверхностного пластического деформирования (ППД) сферической поверхности шарового автомобильного пальца, где показано (тонкими линиями) первоначальное положение заготовки, условно перенесенное ниже; на фиг.2 - вид А на фиг.1.

Предлагаемое устройство предназначено для калибрования, деформирующего протягивания и упрочнения металлических сферических поверхностей, например, шаровых автомобильных пальцев 1 и др. деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД). В состав устройства входит приспособление 2 для установки, базирования и закрепления заготовки с возможностью ее вращения относительно продольной оси и деформирующий инструмент 3.

Деформирующий инструмент 3 представляет собой втулку, жестко закрепленную в патроне, например, вертикально-протяжного станка (не показаны). Резьбовые отверстия 4 служат для крепления деформирующей втулки 3 в патроне с помощью винтов (не показаны).

Патрон с деформирующей втулкой 3 совершает движение подачи S_пр в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки 1, при этом заготовка совершает вращательное движение V_з относительно своей продольной оси. Деформирующий инструмент - втулка 3 имеет продольный паз 3′ для свободного прохождения части 1′ заготовки 1, сопрягаемой со сферической поверхностью.

Внутренняя поверхность отверстия деформирующей втулки 3 является рабочей и имеет форму, состоящую из усеченной конической части с углом ϕ=3...5°, куда со стороны большего основания поступает заготовка, и цилиндрическую калибрующую поверхность, соединенную с меньшим основанием конической части, откуда выходит обработанная заготовка, кроме того, высота конической части определяется по формуле:

l_к>10z/tgϕ,

где l_к - высота конической части деформирующей втулки, мм;

z - величина, равная половине натяга, мм;

ϕ - угол внутренней поверхности втулки в виде усеченного конуса, град.

Основным технологическим параметром процесса является натяг

i=D_o-d_ИН,

где D_o - диаметр сферической поверхности до обработки (средняя арифметическая величина с учетом отклонений формы в поперечном сечении);

d_ИН - диаметр цилиндрической части отверстия деформирующей втулки.

При обработке с натягом i до 0,5 мм уменьшаются отклонения формы в поперечном сечении (отклонение от круглости) и повышается точность размера на 30...35%, уменьшаются параметры шероховатости поверхности. С такими натягами обрабатывают заготовки и после термической обработки.

Суммарный натяг лимитируется пластичностью материала заготовки. Заготовку из хрупких материалов обрабатывают с малыми натягами, так как при больших натягах может произойти ее разрушение.

Обработка деформирующей втулкой обеспечивает оптимальные условия деформирования - инструмент имеет максимальную размерную, стойкость. В зависимости от размеров обрабатываемой поверхности заготовки применяют деформирующие втулки цельные (см. фиг.1-2) или сборные (не показаны).

Деформирующая втулка со стороны конической части имеет направляющую фаску, обеспечивающую взаимную ориентацию заготовки и инструмента.

Материал цельной деформирующей втулки и рабочей части сборной втулки - твердый сплав ВК8.

Радиальное биение рабочей поверхности отверстия втулки не должно превышать 0,02...0,05 мм.

Деформирующая втулка может быть выполнена симметричной (с каждого торца коническая заборная часть, а в середине цилиндрическая часть) с целью работать с подачами вниз (согласно фиг.1) и вверх или повернуть втулку при ее износе.

При обработке предлагаемым устройством обязательно применяют смазочно-охлаждающее технологическое средство (СОТС), предотвращающее схватывание деформирующей втулки с обрабатываемым металлом. Отсутствие СОТС приводит к браку обработанных заготовок и нередко к разрушению инструмента. Для деталей из углеродистых и низколегированных сталей рекомендуются: сульфофрезол, МР-1, МР-2, эмульсии. Эти же жидкости следует применять при обработке заготовок из цветных металлов (бронзы, латуни, алюминиевых сплавов). Для деталей из высоколегированных, жаростойких и коррозионно-стойких сталей и сплавов следует применять СОТС: АСМ-1, АСМ-4, АСМ-5, АСМ-6. При обработке заготовок из закаленных сталей используют смазку АСФ-3.

Шероховатость поверхности, обработанной предлагаемым устройством, зависит от исходной шероховатости и материала обрабатываемой заготовки, режима обработки, применяемого СОТС и угла рабочего конуса инструмента. От скорости обработки (в пределах диапазона применяемых скоростей) шероховатость обработанной поверхности не зависит. Для получения малых значений параметров шероховатости предварительную обработку наружной сферической поверхности целесообразно проводить твердосплавным инструментом, например резцом, имеющим малые углы в плане (ϕ=30...40°), на скоростях резания, исключающих образования нароста. При обработке сферы после переходов чернового и чистового точения (исходный параметр Ra=6,3...1,6 мкм) получают поверхности с Ra=0,8...0,1 мкм, если материал заготовок сталь; Ra=0,4...0,1 мкм при обработке заготовок из бронзы и Ra=1,6...0,4 мкм при обработке заготовок из чугуна.

Шероховатость поверхности после пластического деформирования предлагаемым устройством будет тем ниже, чем меньше натяг, при котором проводится обработка сферы. Так, при обработке заготовки из стали 45 с исходной шероховатостью Ra=4...8 мкм получили следующую шероховатость при натягах на деформирующем инструменте:

Натяг i, мм................	0,05	0,10	0,20	0,40	0,80
Параметр Ra, мкм...........	0,06	0,07	0,4	1,3	3,0

Упрочнение металла является следствием происходящих деформаций. Упрочнение, выражаемое изменением твердости, снижается при переходе от обработанной поверхности в глубину заготовки сферы. Толщина слоя текстуры, обладающего повышенной твердостью, тем больше, чем больше натяг и тем меньше, чем выше исходная твердость обрабатываемого металла. Приращение твердости зависит от обрабатываемого металла и составляет 130...260%.

Скорость продольной подачи S_пр деформирующего инструмента при обработке предлагаемым устройством связана со скоростью вращения заготовки V_з следующим соотношением:

S_пр=0,01·V_з,

где S_пр - скорость продольной подачи деформирующего инструмента, м/мин;

V_з - скорость вращательного движения заготовки, м/мин.

Скорость вращательного движения заготовки Уз назначают в пределах 2...25 м/мин.

Для достижения точности по 11...13-му квалитетам обработку ведут с большими натягами. Для достижения точности по 8...11-му квалитетам следует применять средние натяги (0,2...0,5 мм). Для получения точности по 5...6-му квалитетам необходима предварительная точная обработка резанием, после чего деформирование проводят с малыми натягами (0,02...0,2 мм). Для последней группы заготовок целесообразна схема деформирование - резание - тонкое деформирование.

Пример. Обрабатывали ППД заготовку пальца шарового верхнего 2101-2904187, установленную в специальном электромеханическом приспособлении на вертикально-протяжном станке мод. 7Б65, предлагаемым устройством. Заготовка изготовлена из стали 20Х ГОСТ 1050-74. Обрабатывали сферу диаметром 32,7±0,1; исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,63; деформирующим инструментом в виде втулки, изготовленной из твердого сплава ВК8, на следующих режимах: скорость вращения заготовки V_з=20 м/мин (n_з=200 мин^-1); скорость продольной подачи деформирующего инструмента S_пр=0,2 м/мин; суммарный натяг на диаметр - 0,2 мм (0,1 мм на сторону); глубина слоя повышенной твердости составляла 0,15...0,20 мм; смазывающе-охлаждающей жидкостью служил сульфофрезол (5%-ная эмульсия).

Требуемая шероховатость и точность сферической поверхности была достигнута с одного прохода за Т_м=0,5 мин (против Т_м ^баз=2,75 мин по базовому варианту при традиционной обработке обкатыванием на Орловском сталепрокатном заводе ОСПАЗ). Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл.1 ГОСТ 577-68 и на профилометре мод.283 тип АН ГОСТ 19360-86. В обработанной партии (равной 100 штук) бракованных деталей не обнаружено. Отклонение обработанной поверхности от сферичности составило не более 0,02 мм, что допустимо ТУ.

Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных сферических поверхностей уменьшился до значения Ra=0,32...0,63 мкм при исходном - Ra=3,2...6,3 мкм, производительность повысилась более чем в пять раз по сравнению с обкатыванием. Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности ППД благодаря использованию оригинальной конструкции деформирующего инструмента и позволяет управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом обрабатываемой сферической поверхности, а также повышает производительность, качество и точность обработки заготовки.

Источники информации

1. Патент РФ 2031770, МКП⁶ В24В 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.

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, 1986. С.392, рис.14, б.

Устройство для обработки на станках сферических поверхностей шаровых пальцев, содержащее деформирующий элемент для воздействия на заготовку с натягом и приспособление для установки, базирования и закрепления заготовки с возможностью ее вращения относительно продольной оси, отличающееся тем, что деформирующий элемент выполнен в виде втулки с продольным пазом для свободного прохождения части заготовки шарового пальца, сопряженной с ее сферической поверхностью, и с рабочей внутренней поверхностью в виде усеченного конуса с углом ϕ=3...5° для осуществления входа заготовки со стороны большего основания последнего и соединенной с его меньшим основанием цилиндрической калибрующей части для осуществления выхода обработанной заготовки, при этом упомянутая втулка жестко закреплена в патроне станка, выполненном с возможностью совершения движения подачи в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки, а внутренняя поверхность втулки в виде усеченного конуса выполнена с высотой l_к, мм:

l_к>10z/tgϕ,

где z - величина, равная половине натяга, мм;

ϕ - угол внутренней поверхности втулки в виде усеченного конуса, град.