Способ статико-импульсного упрочнения сложнопрофильных деталей

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к способам отделочно-упрочняющей обработки сложнопрофильных деталей. Помещают заготовку в камеру с многоэлементным деформирующим инструментом в виде микрошариков или шариков, сообщают вращательное движение заготовке и продольную подачу упомянутой камере. Камера выполнена со сквозными отверстиями в ее двух противоположных стенках для обеспечения прохождения заготовки. Камера содержит две колодки с вогнутыми цилиндрическими поверхностями и затворы с амортизаторами, расположенные в упомянутых сквозных отверстиях камеры. Одна из упомянутых колодок шарнирно соединена с волноводом и выполнена подвижной. Многоэлементный деформирующий инструмент размещен между цилиндрическими вогнутыми поверхностями колодок и заготовкой и охватывает последнюю. При этом прикладывают к многоэлементному деформирующему инструменту импульсную нагрузку и статическую нагрузку. Импульсную нагрузку прикладывают посредством первого гидроцилиндра, в котором расположены волновод и боек. Статическую нагрузку прикладывают посредством второго гидроцилиндра, воздействующего на первый гидроцилиндр. В результате расширяются технологические возможности, повышается производительность, качество и точность обработки. 2 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам отделочно-упрочняющей обработки сложнопрофильных поверхностей деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) со статико-импульсным нагружением многоэлементного деформирующего инструмента.

Известны способ и устройство для упрочнения поверхностей деталей сложной формы микрошариками и шариками в ультразвуковом поле с использованием магнитострикционного преобразователя, жестко скрепленного с коническим концентратором, который в свою очередь соединен с полым волноводом [1]. Шарики и обрабатываемая заготовка помещены в полый волновод, представляющий собой камеру.

Недостатками известного способа и устройства являются ограниченность размеров упрочняемых заготовок, только для мелких заготовок длиной не более 400 мм и поперечными размерами 160...200 мм. Интенсивность колебаний резко снижается при больших габаритах заготовки. Чтобы амплитуда колебаний волновода была достаточной для формирования требуемого уровня остаточных напряжений в упрочняемых заготовках, предъявляют жесткие требования к ультразвуковым генераторам, вызывающие необходимость эксплуатировать их на предельно допустимых режимах, а это нежелательно, так как ухудшает их работу, приводит к рассогласованию резонансной частоты и в конечном итоге к нарушению процесса упрочнения. Кроме того, в придонной части полого волновода имеется «мертвая» зона, которая ограничивает габариты упрочняемой заготовки. Устройство отличается низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и невысокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей КПД благодаря использованию статико-импульсного нагружения многоэлементного деформирующего инструмента, позволяющего управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, а также повышение производительности, качества и точности обработки благодаря охватывающему и самоустанавливающемуся по обрабатываемой заготовке инструменту.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа статико-импульсного упрочнения сложнопрофильных деталей, который включает помещение заготовки в камеру с многоэлементным деформирующим инструментом в виде микрошариков или шариков, при этом сообщают вращательное движение заготовке и продольную подачу камере с многоэлементным деформирующим инструментом, выполненной со сквозными отверстиями в ее двух противоположных стенках для обеспечения прохождения заготовки и содержащей две колодки с вогнутыми цилиндрическими поверхностями и затворы с амортизаторами, расположенные в упомянутых сквозных отверстиях камеры, одна из упомянутых колодок, шарнирно соединенная с волноводом, выполнена подвижной, а многоэлементный деформирующий инструмент, размещенный между цилиндрическими вогнутыми поверхностями колодок и заготовкой, охватывает последнюю, при этом прикладывают к многоэлементному деформирующему инструменту импульсную нагрузку посредством подключенного к гидравлическому генератору импульсов первого гидроцилиндра, в котором расположены одинакового диаметра волновод и бок, и статическую нагрузку посредством второго гидроцилиндра, воздействующего на первый гидроцилиндр.

Сущность и особенности способа поясняются чертежами.

На фиг.1 представлена схема упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием заготовки винта винтового нефтяного насоса с помощью устройства со статико-импульсным нагружением многоэлементного деформирующего инструмента в виде шариков, реализующего предлагаемый способ, продольный разрез, устройство в положении в момент смены заготовки; на фиг.2 - поперечное сечение А - А на фиг.1, устройство в рабочем положении.

Предлагаемый способ служит для поверхностного пластического деформирования сложнопрофильных деталей 1 с использованием постоянной статической P_ст и периодической импульсной Р_им нагрузки на многоэлементный деформирующий инструмент 2, при котором обрабатываемой заготовке, например, винта винтового нефтяного насоса (фиг.1-2), сообщают вращательное движение V_з и возвратно-поступательное продольное движение S_пр устройству.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из прочной камеры 3 коробчатой формы, собранной, например, из отдельных прямоугольных стальных пластин. Камера 3 имеет сквозные отверстия 4 в двух противоположных стенках 5 для прохождения обрабатываемой заготовки 1. Отверстия 4 выполнены несколько большего диаметра, чем заготовка, позволяющие свободному прохождению и вращению заготовки 1, частично находящейся в камере 3, а также производить загрузку нового и выгрузку отработанного деформирующего инструмента 2. Все внутреннее пространство в камере 3 помимо заготовки 1 занимают две колодки 6, 7 и деформирующие элементы в виде микрошариков или шариков 8. Верхняя (согласно фиг.1-2) колодка 6 неподвижная, другая нижняя колодка 7 подвижная и шарнирно соединена с волноводом 9. Поверхности колодок 6 и 7 выполнены плоскими по форме камеры 3, в которой они находятся, за исключением поверхностей 10, обращенных к заготовке. Для данной конструкции обрабатываемой заготовки винта это вогнутые цилиндрические поверхности 10, имеющие возможность охватывать заготовку.

Между цилиндрическими вогнутыми поверхностями 10 колодок 6 и 7 и заготовкой 1 расположены деформирующие элементы в виде микрошариков или шариков 8, которые охватывают заготовку и оказывают упрочняющее действие при перемещении подвижной колодки 7 вверх под действием усилий Р_ст и Р_им, а также при совместном их действии. Под действием усилий Р_ст и Р_им шарики равно воздействуют как на заготовку, так и на стенки камеры и колодок. Поэтому на боковых стенках 5 камеры, которые выполнены двойными, установлены затворы 11 в виде колец, центрируемые амортизаторами 12. Затворы изготовлены в виде колец с профильным отверстием, соответствующим профилю поперечного сечения заготовки, для прохождения обрабатываемой заготовки, совершают планетарное движение, контактируя со сложной поверхностью заготовки, и препятствуют высыпанию шариков из камеры.

Количество шариков 8 в камере 3 такое, что при создании необходимой нагрузки Р_ст пространство между колодками 6, 7 и заготовкой 1 полностью заполнено и между колодками остается гарантированный зазор Z.

Волновод 9, шарнирно с помощью двух полуколец 13 и винтов 14 соединенный с подвижной колодкой 7, своей нижней частью расположен в гидроцилиндре 15 вместе с бойком 16 и имеет одинаковый с ним диаметр. Гидроцилиндр 15 подключен к гидравлическому генератору импульсов (ГГИ) (не показан) [2-4] для создания импульсной нагрузки Р_им на деформирующие шарики 8. Статическая нагрузка Р_ст на шарики 8 обеспечивается вторым гидроцилиндром 17, воздействующим через поршень 18 и шток 19 на первый гидроцилиндр 15. Волновод 9 и боек 16 выполнены в виде стержней одинакового диаметра и расположены в корпусе гидроцилиндра 15, который соединен с ГГИ, вырабатывающим и создающим импульсную нагрузку Р_им.

Статическое нагружение Р_ст осуществляется посредством гидроцилиндра 17, который через гидроцилиндр 15, волновод 9 и подвижную колодку 7 постоянно воздействует на деформирующий инструмент - шарики при их контакте со сложнопрофильной поверхностью заготовки. Величина статической силы деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала.

Импульсное нагружение Р_им осуществляется посредством удара бойка 16 по торцу волновода 9, на котором установлена подвижная колодка, передающая давление инструменту 2. В результате удара 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.

Ударный импульс внедряет деформирующие элементы - шарики в обрабатываемую поверхность на большую величину, чем при традиционной обработке с использованием только статической нагрузки.

Глубина упрочненного слоя, полученного предлагаемым способом, 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 способом по сравнению с традиционным упрочнением 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.

Особенности обработки заготовок предлагаемым способом следующие. Устройство, реализующее способ, устанавливается, например, на суппорте токарного станка так, что оси отверстий 4 в стенках 5 корпуса 3 находятся на уровне оси центров станка. Суппорт с устройством перемещают к передней бабке и устанавливают на минимальном расстоянии (до 5 мм) относительно кулачков токарного патрона. Волновод 9 и нижняя колодка 10 находятся в крайнем нижнем загрузочном положении, при этом шарики перекатываются вниз и верхний уровень их ниже края отверстия 4. Через отверстия в затворах 11 пропускают обрабатываемую заготовку, например винт, закрепляют его в кулачках патрона и поджимают центром задней бабки. С целью обработки заготовки на всей необходимой длине используют технологические втулки, удлиненные центра и др. технологическую оснастку. Включается гидростанция, и вступает в работу гидроцилиндр 17, поднимающий волновод 9 и колодку 10 с шариками 8, которые охватывают участок заготовки 1. Создается необходимая нагрузка Р_ст, включается вращательное движение заготовки V_з и продольная подача S_пр суппорта.

Смазка шариков осуществляется периодически через отверстия при отсутствии заготовки. Поверхность заготовки перед упрочнением также смазывается, что исключает нежелательное сухое трение в зоне контактов шариков с упрочняемой поверхностью.

В замкнутом объеме шарики заполняют все пространство вокруг заготовки и перекатываются при вращении последней.

Периодическую импульсную нагрузку Р_им осуществляют с помощью бойка 16, воздействующего на торец волновода 9, который шарнирно соединен с подвижной колодкой 7. В результате удара бойка 16 по торцу волновода 9 в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать через подвижную колодку и шарики 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, которая интенсифицирует процесс поверхностного пластического деформирования и упрочняет поверхностный слой обрабатываемой сложнофасонной поверхности. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструмента.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного по предлагаемому способу, проведены экспериментальные исследования обработки винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500, который имел следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина винтовой части - 1208 мм, диаметр поперечного сечения винта -27^-0,05 мм, эксцентриситет - 3,3 мм, шаг - 28^±0,01 мм, шероховатость R_a=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с использованием предлагаемого устройства и стенда с гидравлическим генератором импульсов [2-4]. Значения технологических факторов (частоты ударов, радиус шарика 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. Глубина упрочненного статико-импульсной обработкой слоя в 3...4 раза выше, чем при традиционном упрочнении. Упрочненный слой при традиционной статической обработке формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. Предлагаемым способом 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 в предлагаемой статико-импульсной обработке 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 поверхностного пластического деформирования.

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

Импульсные нагрузки, создаваемые предлагаемым способом, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы инструмента, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Импульсные нагрузки способствуют лучшему проникновению смазки в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях импульсных нагрузок резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия смазки вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Предлагаемый способ и устройство расширяют технологические возможности КПД благодаря использованию статико-импульсного нагружения на деформирующий инструмент, позволяют управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, а также повышает качество и точность обработки заготовки.

Источники информации

1. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин. - М.: Машиностроение, 1989. С.168...174, рис.4.12,а.

2. Патент РФ 2098259, МКИ⁶ В24В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статико-импульсной 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.

Способ статико-импульсного упрочнения сложнопрофильных деталей, включающий помещение заготовки в камеру с многоэлементным деформирующим инструментом в виде микрошариков или шариков, отличающийся тем, что сообщают вращательное движение заготовке и продольную подачу камере с многоэлементным деформирующим инструментом, выполненной со сквозными отверстиями в ее двух противоположных стенках для обеспечения прохождения заготовки и содержащей две колодки с вогнутыми цилиндрическими поверхностями и затворы с амортизаторами, расположенные в упомянутых сквозных отверстиях камеры, одна из упомянутых колодок, шарнирно соединенная с волноводом, выполнена подвижной, а многоэлементный деформирующий инструмент, размещенный между цилиндрическими вогнутыми поверхностями колодок и заготовкой, охватывает последнюю, при этом прикладывают к многоэлементному деформирующему инструменту импульсную нагрузку посредством подключенного к гидравлическому генератору импульсов первого гидроцилиндра, в котором расположены одинакового диаметра волновод и боек, и статическую нагрузку посредством второго гидроцилиндра, воздействующего на первый гидроцилиндр.