Инструмент для поверхностного пластического деформирования сферы

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к отделочно-упрочняющей обработке заготовок со сферической поверхностью. Инструмент содержит корпус, в котором установлены деформирующие элементы для обеспечения обработки сферы с натягом. Деформирующие элементы выполнены в виде витков свернутой в кольцо цилиндрической пружины. Свернутая в кольцо цилиндрическая пружина установлена с возможностью охватывания обрабатываемой сферы в плоскости, проходящей через центр последней, и выполнена с внутренним диаметром, меньшим диаметра обрабатываемой сферы на величину двойного натяга. Упомянутая пружина плавающе установлена в корпусе посредством пальцев и жестко закрепленного в них кольца, размещенного внутри ее витков. В результате расширяются технологические возможности и снижается себестоимость инструмента. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к отделочно-упрочняющей обработки заготовок со сферической поверхностью из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием многоэлементным обкатывающим инструментом с деформирующей кольцевой пружиной.

Известно трехроликовое приспособление для обкатывания нежестких валов, которое состоит из корпуса, плавающей державки с роликами, шарнирно соединенной с корпусом, и пружины [1]. Приспособление, закрепляемое, например, на суппорте токарного станка, позволяет нейтрализовать биение поверхности заготовки - вала, которое не сказывается на обработке. Несколько деформирующих элементов приспособления позволяют разгрузить узлы от односторонне приложенного усилия при обкатывании нежестких заготовок.

Недостатками известного трехроликового приспособления являются

ограниченные технологические возможности, низкая производительность из-за малого точечного пятна контакта деформирующих элементов-роликов с обрабатываемой поверхностью, небольшого количества деформирующих элементов, малой подачи, а также сложности и больших массогабаритных показателей конструкции.

Известен вращающийся пружинный инструмент для динамического упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД), состоящий из диска, на наружной поверхности которого выполнена канавка, где закреплена свернутая в кольцо цилиндрическая пружина [2].

Недостатками известного инструмента являются ограниченные технологические возможности и почти невозможна обработка ППД сферических поверхностей, низкая производительность из-за малого точечного пятна контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, малой подачи и низкое качество из-за неравномерной обработки, а также ограниченные возможности в создании упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низкий КПД, недостаточно большая глубина упрочненного слоя и недостаточно высокая степень упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен инструмент для поверхностного пластического деформирования сферы, содержащий корпус, в котором установлены деформирующие элементы для обеспечения обработки сферы с натягом [3].

Недостатками известного инструмента являются ограниченные технологические возможности, низкая производительность из-за малого точечного пятна контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, малой подачи и низкое качество из-за неравномерной обработки, а также ограниченные возможности в создании упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низкий КПД, недостаточно большая глубина упрочненного слоя и недостаточно высокая степень упрочнения обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей в повышении параметра шероховатости обработанной поверхности, увеличении ее твердости на значительную глубину и высокой степени упрочнения благодаря выглаживающему действию большого количества деформирующих элементов, повышении производительности за счет увеличения пятна контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью и возможности применения больших подач и рабочих усилий, а также снижает себестоимость процесса и удешевляет изготовление инструмента благодаря компактности и простоте конструкции.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого инструмента для поверхностного пластического деформирования сферы, содержащего корпус, в котором установлены деформирующие элементы для обеспечения обработки сферы с натягом, причем деформирующие элементы выполнены в виде витков свернутой в кольцо цилиндрической пружины, которая плавающе установлена в корпусе посредством пальцев и жестко закрепленного в них кольца, размещенного внутри упомянутых витков, при этом свернутая в кольцо цилиндрическая пружина установлена с возможностью охватывания обрабатываемой сферы в плоскости, проходящей через центр последней, и выполнена с внутренним диаметром, меньшим диаметра обрабатываемой сферы на величину двойного натяга. Кроме того, витки свернутой в кольцо цилиндрической пружины в поперечной плоскости в месте контакта с обрабатываемой сферой выполнены с вогнутой частью в виде дуги, радиус которой равен радиусу обрабатываемой сферы.

Особенности конструкции инструмента поясняются чертежами.

На фиг.1 показан предлагаемый инструмент для ППД с деформирующими элементами в виде витков кольцевой цилиндрической пружины, продольный разрез Б-Б на фиг.3, и схема обработки сферической поверхности шарового автомобильного пальца; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, в нерабочем состоянии пружины; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1, пружина в рабочем состоянии и охватывает заготовку в плоскости, проходящей через центр сферы; на фиг.4 - общий вид пружины, вид В на фиг.1; на фиг.5 - форма витка с вогнутой частью, сечение Г-Г на фиг.4.

Предлагаемый инструмент служит для поверхностного пластического деформирования (ППД) наружных сферических поверхностей заготовок.

Обработку выполняют на токарных, карусельных станках с сообщением вращательного движения заготовке V_з, а инструменту - вращательное движение V_и и движение продольной подачи S_пр.

На торце корпуса 1, представляющего собой оправку, установлена свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина 2 с деформирующими элементами - витками 3 из стали круглого сечения.

Кольцевая пружина 2 установлена в корпусе 1 с помощью пальцев 4, которые жестко закреплены на торце корпуса, имеют форму пластин и располагаются между витками пружины. На концах пальцев 4 жестко закреплено кольца 5, размещенное внутри витков 3. Такое плавающее нежесткое крепление пружины 2 на корпусе 1 позволяет самоустанавливаться деформирующим элементам - виткам пружины - на обрабатываемой сферической поверхности и изменять свой диаметр с минимального D_не до максимального D_сф.

Внутренний диаметр D_не кольцевой пружины 2 в нерабочем, свободном состоянии меньше диаметра D_сф обрабатываемой сферической поверхности на величину двойного натяга.

При доведении кольцевой пружины 2 до положения, когда контакты деформирующих витков с обрабатываемой сферой расположатся в плоскости, проходящей через центр обрабатываемой сферической поверхности, пружина будет охватывать сферу и максимально воздействовать на нее.

С целью увеличения пятна контакта деформирующих витков с обрабатываемой сферой витки 3 цилиндрической кольцевой пружины в поперечной плоскости в месте контакта с обрабатываемой сферой имеют вогнутую часть 3^/ на протяжении дуги с центральным углом α до 90°, при этом радиус вогнутой части равен радиусу R_сф обрабатываемой сферической поверхности.

Инструмент с пружиной с вогнутыми частями витков работает более устойчиво, с большей производительностью и лучшим качеством.

Кольцевая пружина 2 через витки 3 воздействует на обрабатываемую поверхность с определенным усилием благодаря свойствам, заложенным в ее конструкции и материале, и не имеет устройства для регулирования усилия обкатывания, поэтому для изменения усилия обкатывания меняют пружину с большим или меньшим натягом, обеспечивающим необходимое усилие обкатывания.

При обработке, например, шарового автомобильного пальца (см. фиг.1) на токарном станке заготовку 6 закрепляют в приспособлении 7, инструмент, закрепленный на суппорте станка, подводят к обрабатываемой поверхности заготовки и с помощью совместных ручных продольной и поперечной подач суппорта, преодолевая сопротивление деформирующей пружины, нанизывают ее на заготовку.

Перед введением в контакт инструмента с заготовкой включают главное движение - вращение заготовки V_з, а инструменту сообщают вращательное движение V_и и поступательную продольную подачу S_пр.

Сущность процесса заключается в том, что при работе инструмента его деформирующая пружина устанавливается с некоторым натягом относительно обрабатываемой заготовки, охватывая ее.

Усилие сжатия деформирующей пружины заложено в конструкции пружины. Обкатывание осуществляется витками 3 пружины 2, оказывающими давление на поверхность обрабатываемой заготовки.

При определенном (рабочем) усилии в зоне контакта деформирующих элементов и заготовки интенсивность напряжений превышает предел текучести, в результате чего происходит пластическая деформация микронеровностей, изменяются физико-механические свойства и структура поверхностного слоя (например, увеличивается микротвердость или возникают остаточные напряжения в поверхностном слое).

Объемная деформация заготовки незначительна.

Наличие упругого элемента, которым является деформирующая пружина 2, обеспечивает постоянное усилие обкатывания в любой точке обрабатываемой поверхности, когда контакты деформирующих витков с обрабатываемой сферой расположены в плоскости, проходящей через центр обрабатываемой сферической поверхности.

В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повышается до Ra = 0,1...0,4 мкм при исходном значении Ra = 0,8...3,2 мкм. Твердость поверхности увеличивается на 30...80% при глубине наклепанного слоя 0,3...3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 400...800 МПа. Предварительная обработка детали: шлифование до значения параметра шероховатости Ra = 0,4...1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью Ra = 3,2 мкм.

Обкатывание предлагаемым инструментом применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58...64.

Деформирующий элемент инструмента - пружину - изготовляют из сталей: легированных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А, быстрорежущих Р6М5, Р9. Твердость рабочей поверхности витков из сталей HRC 62...65. Параметр шероховатости рабочего профиля витков пружины Ra = 0,32 мкм.

Производительность процесса и качество обкатывания определяется радиусом витка деформирующей пружины и диаметром проволоки, из которой изготовлена пружина.

Инструмент с большими радиусом витка деформирующей пружины и диаметром проволоки позволяют вести обработку с большой скорость заготовки V_з, однако в этом случае для получения высокого качества поверхности необходимо использовать пружины с большими рабочими усилиями. От значения рабочего усилия зависят параметры деформирующей пружины.

Предлагаемый многоэлементный обкатывающий инструмент обеспечивает постоянное усилие контакта деформирующих элементов и обрабатываемой поверхности и почти не уменьшает погрешности предшествующей обработки, являясь копирующим.

Изменение размера поверхности при обкатывании связано со смятием микронеровностей и пластической объемной деформацией заготовки. Таким образом, точность обработанной заготовки будет зависеть от ее конструкции и конструкции обкатывающего инструмента, режимов обработки, а также от точности размеров, формы и качества поверхности заготовки, полученной при обработке на предшествующем переходе. Величина изменения размера зависит от состояния исходной поверхности (см. таблица).

Изменение размеров поверхностей заготовки при обкатывании предлагаемым инструментом в зависимости от шероховатости исходной поверхности
Способ предварительной обработки	Параметр шероховатости Ra, мм	Величина, на которую изменяется размер после обработки, мм
Точение	6,3	0,025...0,065
	3,2	0,015...0,045
	1,6	0,010...0,025
Точение бреющим	3,2	0,010...0,025
(широким) резцом	1,6	до 0,015
Шлифование	3,2	0,015...0,035
	1,6	0,010...0,020

При этом точность размеров существенно не меняется.

Наиболее целесообразно обкатыванием обрабатывать исходные поверхности 7...11-го квалитетов.

При поверхностно пластическом деформировании предлагаемым инструментом практически достигаются параметры шероховатости Ra = 0,2...0,8 мкм при исходных значениях этих параметров 0,8...6,3 мкм. Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от материала, рабочего усилия или натяга, скорости вращения заготовки, исходной шероховатости, конструкции инструмента и т.д.

Обкатывание предлагаемым инструментом следует проводить так, чтобы заданные результаты достигались за один оборот заготовки. Не следует использовать обратный ход в качестве рабочего хода, так как повторные проходы в противоположных направлениях могут привести к излишнему деформированию и отслаиванию поверхностного слоя.

Скорость инструмента не оказывает заметного влияния на результаты обработки и выбирается с учетом требований производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость инструмента составляет 30...150 м/мин. Скорость вращения заготовки при обкатывании принимают 3...50 м/мин.

Смазывающе-охлаждающей жидкостью при обкатывании служат машинное масло, смесь машинного масла с керосином (по 50%), сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.

Предлагаемый инструмент расширяет технологические возможности процесса поверхностного пластического деформирования, повышает параметр шероховатости обработанной поверхности, увеличивает ее твердость на значительную глубину, повышает производительность за счет увеличения пятна контакта большого количества деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, а также снижает себестоимость процесса и сокращает расходы на изготовление.

Источники информации

1. 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, 1985. С.383-395, рис.7.

2. Никифоров А.В., Сахаров В.В. Технологические возможности и перспективы чистовой и упрочняющей обработки упругим инструментом (Машиностроит. Пр-во. Сер. Прогрессивные технол. процессы в машиностроении: Обзорн. информ. / ВНИИТЭМР. Вып.5). - М., 1991 - С.31...33, рис.16-17,

3. Патент RU 2103571 С1, В24В 39/04. 27.01.1998 - прототип.

1. Инструмент для поверхностного пластического деформирования сферы, содержащий корпус, в котором установлены деформирующие элементы для обеспечения обработки сферы с натягом, отличающийся тем, что деформирующие элементы выполнены в виде витков свернутой в кольцо цилиндрической пружины, которая плавающе установлена в корпусе посредством пальцев и жестко закрепленного в них кольца, размещенного внутри упомянутых витков, при этом свернутая в кольцо цилиндрическая пружина установлена с возможностью охватывания обрабатываемой сферы в плоскости, проходящей через центр последней, и выполнена с внутренним диаметром, меньшим диаметра обрабатываемой сферы на величину двойного натяга.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что витки свернутой в кольцо цилиндрической пружины в поперечной плоскости в месте контакта с обрабатываемой сферой выполнены с вогнутой частью в виде дуги, радиус которой равен радиусу обрабатываемой сферы.