Комбинированный способ шлифования и поверхностного пластического деформирования

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к способам шлифования и поверхностного пластического деформирования заготовок, имеющих фасонную поверхность и сопряженную с ней часть заготовки. Сообщают возвратно-поступательное движение комбинированному инструменту для обработки заготовок с натягом, выполненному в виде жестко закрепленной в патроне станка втулки. Втулка имеет рабочую внутреннюю поверхность, выполненную в виде алмазно-абразивного заборного конуса, деформирующего заборного конуса с углом ϕ=3...5° и калибрующей части. Сообщают вращательное движение заготовке относительно ее продольной оси. Сообщают движение подачи патрону станка, в котором жестко закреплена втулка, в направлении, перпендикулярном продольной оси вращения заготовки. Обеспечивают поступление заготовки во втулку со стороны алмазно-абразивного заборного конуса. Обеспечивают выход обработанной заготовки со стороны калибрующей части втулки. В результате расширяются технологические возможности, повышается производительность, качество и точность обработки. 4 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к комбинированным способам и устройствам алмазно-абразивной обработки (ААО) и калибрования, деформирующего протягивания и упрочнения металлических фасонных поверхностей деталей вращения из сталей и сплавов шлифованием и поверхностным пластическим деформированием (ППД).

Известен способ и инструмент для обработки неполных сферических поверхностей деталей ППД, при котором обрабатываемой заготовке 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].

Способ и инструмент отличаются ограниченными возможностями, 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, реализующий способ 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].

Способ и инструмент отличаются ограниченными возможностями и используются 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.

Известен способ дорнования отверстий, при котором по методу прошивания к деформирующему инструменту вдоль обрабатываемой поверхности с натягом прикладывают статическую нагрузку [3].

Способ отличается ограниченными возможностями, низким КПД, большой энергоемкостью, не достаточно большой глубиной упрочненного слоя и не достаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, низкой производительностью, качеством и точностью обработки заготовки.

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

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого комбинированного способа шлифования и поверхностного пластического деформирования заготовок, имеющих фасонную поверхность и сопряженную с ней часть заготовки, включающий сообщение возвратно-поступательного движения комбинированному инструменту для обработки заготовок с натягом, при этом используют комбинированный инструмент в виде жестко закрепленной в патроне станка втулки с алмазно-абразивной и деформирующей частями, продольным пазом для свободного прохождения части заготовки, сопряженной с ее фасонной поверхностью, и с рабочей внутренней поверхностью, имеющей в поперечном сечении форму, идентичную и ответную форме продольного сечения обрабатываемой заготовки с учетом натяга, и выполненной в виде алмазно-абразивного заборного конуса, деформирующего заборного конуса с углом ϕ=3...5° и калибрующей части, при этом сообщают вращательное движение заготовке относительно ее продольной оси и движение подачи патрону станка, в котором жестко закреплена втулка, в направлении, перпендикулярном продольной оси вращения заготовки, обеспечивают поступление заготовки во втулку со стороны алмазно-абразивного заборного конуса, осуществляют последовательное воздействие на заготовку сначала алмазно-абразивной, затем деформирующей частями комбинированного инструмента и обеспечивают выход обработанной заготовки со стороны калибрующей части втулки.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема шлифования и поверхностного пластического деформирования фасонной поверхности на примере сферической поверхности шарового автомобильного пальца, где показано (тонкими линиями) положение заготовки, прошедшее алмазно-абразивную обработку, условно перенесенное ниже; на фиг.2 - пример горообразной конструкции заготовки, которая обрабатывается предлагаемым способом; на фиг.3 - вид А на фиг.1; на фиг.4 - пример фасонной конструкции заготовки, имеющей выпуклые и вогнутые поверхности, которая обрабатывается предлагаемым способом.

Предлагаемый комбинированный способ предназначен для последовательной алмазно-абразивной обработки (ААО) и поверхностным пластическим деформированием (ППД): калиброванием, деформирующим протягиванием и упрочнением металлических фасонных поверхностей, например, сферических поверхностей шаровых автомобильных пальцев 1, беговых дорожек шарошек буровых долот, торообразных поверхностей тел вращения (фиг.2), сложных фасонных выпуклых и вогнутых поверхностей тел вращения (фиг.4) и др. деталей с центральной осью вращения из сталей и сплавов.

В состав устройства, реализующее способ, входит приспособление 2 для установки, базирования и закрепления заготовки с возможностью вращения последней относительно продольной оси и деформирующий инструмент 3.

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

Абразивно-деформирующая втулка 3 совершает движение подачи S_пр в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки 1, при этом заготовка вращается с частотой V_з относительно своей продольной оси. Алмазно-абразивный деформирующий инструмент - втулка 3 имеет продольный паз 3^/ для свободного прохождения части 1^/ заготовки 1, сопрягаемой с обрабатываемой фасонной поверхностью.

Внутренняя поверхность отверстия втулки 3 является рабочей и имеет сложную форму в поперечном сечении, идентичную и ответную форме продольного сечения обрабатываемой поверхности заготовки с учетом натяга.

Отверстие втулки 3 в продольном сечении со стороны торца, куда поступает заготовка (на фиг.1, снизу), имеет алмазно-абразивный заборный конус 5, переходящий в деформирующий заборный конус 6 с углом ϕ=3...5°, и калибрующую поверхность 7, откуда выходит обработанная заготовка.

Алмазно-абразивная часть 5 наносится и закрепляется известными способами, а также может быть выполнена из алмазно-абразивной шкурки, наклеенной на внутреннюю поверхность втулки 3.

Высота деформирующего заборного конуса 6 определяется по формуле

l_д>10z/tgϕ_д,

где l_д - высота деформирующего заборного конуса втулки, мм;

z - величина, равная половине натяга, мм;

ϕ_д - угол деформирующего заборного конуса, принимающий значения 3...5°.

Основным технологическим параметром процесса ППД является натяг, определяемый, например, для сферической заготовки по формуле

i=D_o-d_ин,

где D_o - диаметр сферической поверхности до обработки ППД, но прошедший обработку в алмазно-абразивном конусе (средняя арифметическая величина с учетом отклонений формы в поперечном сечении);

d_ин - диаметр цилиндрической калибрующей части отверстия абразивно-деформирующей втулки.

При обработке фасонных поверхностей предлагаемым способом 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.

Особенно эффективно обрабатывать с такими натягами заготовки после термической обработки. Суммарный натяг лимитируется пластичностью материала заготовки. Заготовки из хрупких материалов обрабатывают с малыми натягами, так как при больших натягах может произойти их разрушение.

Обработка по предлагаемому способу инструментом в виде абразивно-деформирующей втулки обеспечивает оптимальные условия комбинированной алмазно-абразивной обработки и деформирования, при этом инструмент имеет максимальную размерную стойкость. В зависимости от размеров обрабатываемой поверхности заготовки применяют абразивно-деформирующие втулки с цельной деформирующей частью (см. фиг.1, 3) и сборные со вставной деформирующей частью (не показаны).

Абразивно-деформирующая втулки со стороны конической части имеет направляющую фаску, обеспечивающую взаимную ориентацию заготовки и инструмента.

Материалом деформирующей части цельной втулки и рабочей деформирующей части сборной втулки является твердый сплав ВК8.

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

При обработке предлагаемым способом обязательно применяют смазочно-охлаждающее технологическое средство (СОТС), предотвращающее прижоги при работе алмазно-абразивной части и схватывание деформирующей части втулки с обрабатываемым металлом. Отсутствие СОТС приводит к браку обработанных заготовок и нередко к разрушению инструмента. Для заготовок 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 заготовок 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 способом, зависит от исходной шероховатости и материала обрабатываемой заготовки, режима обработки, применяемой СОТС и угла рабочего конуса инструмента. От скорости обработки ППД (в пределах диапазона применяемых скоростей) шероховатость обработанной поверхности не зависит. Для получения малых значений параметров шероховатости предварительную обработку наружной фасонной поверхности целесообразно проводить твердосплавным инструментом, например резцом, имеющим малые углы в плане (ϕ=30...40°), на скоростях резания, исключающих образование нароста. При обработке фасонной поверхности 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 способом будет тем ниже, чем меньше натяг, при котором проводится обработка фасонной поверхности. Так при обработке заготовки из стали 45 с исходной шероховатостью Ra = 4...8 мкм получили следующую шероховатость при натягах на деформирующей части инструмента:

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 ^м абразивно-деформирующего инструмента при обработке предлагаемым устройством связана со скоростью вращения заготовки V_з следующим соотношением: S_пр ^м=0,01·V_з, где S_пр ^м - минутная скорость продольной подачи абразивно-деформирующего инструмента, м/мин; причем S_пр ^м связана с подачей на оборот заготовки S_пр (мм/об, заготовки) соотношением - S_пр ^м=1000·n·S_пр; n - частота вращательного движения заготовки, об/мин.

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

Для достижения точности по 11...13-му квалитетам обработку ведут с большими натягами деформирующей части. 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).

Пример. Обрабатывали заготовку пальца шарового верхнего 2101-2904 187, 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; абразивно-деформирующим инструментом в виде втулки, изготовленной: деформирующая часть из твердого сплава ВК8, алмазно-абразивная часть из алмаза АСВ 200/160-100/80 100% металлическая М5, на следующих режимах: скорость вращения заготовки V_з=20 м/мин (n_з=200 мин^-1); скорость минутной продольной подачи инструмента S_пр ^м=0,2 м/мин; S_пр=0,001 мм/об; 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=0,45 мин (против Т_м ^баз=3,35 мин по базовому варианту при традиционной раздельной обработке шлифованием и 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 AII ГОСТ 19300-86. 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 фасонных 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 раздельной обработкой шлифованием и обкатыванием. Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза.

Предлагаемый комбинированный способ расширяет технологические возможности ААО и ППД благодаря использованию оригинальной конструкции абразивно-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.

3. 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.397, рис.16,б - прототип.

Комбинированный способ шлифования и поверхностного пластического деформирования заготовок, имеющих фасонную поверхность и сопряженную с ней часть заготовки, включающий сообщение возвратно-поступательного движения комбинированному инструменту для обработки заготовок с натягом, отличающийся тем, что используют комбинированный инструмент в виде жестко закрепленной в патроне станка втулки с продольным пазом для свободного прохождения части заготовки, сопряженной с ее фасонной поверхностью, и с рабочей внутренней поверхностью, имеющей в поперечном сечении форму, идентичную и ответную форме продольного сечения обрабатываемой заготовки с учетом натяга, и выполненной с алмазно-абразивной и деформирующей частями в виде алмазно-абразивного заборного конуса, деформирующего заборного конуса с углом ϕ=3...5° и калибрующей части, при этом сообщают вращательное движение заготовке относительно ее продольной оси и движение подачи патрону станка, в котором жестко закреплена втулка, в направлении, перпендикулярном продольной оси вращения заготовки, обеспечивают поступление заготовки во втулку со стороны алмазно-абразивного заборного конуса, осуществляют последовательное воздействие на заготовку сначала алмазно-абразивной, затем деформирующей частями комбинированного инструмента и обеспечивают выход обработанной заготовки со стороны калибрующей части втулки.