Устройство для статикоимпульсного поверхностного пластического деформирования

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к устройствам для статикоимпульсного поверхностного пластического деформирования валов или винтов винтовых насосов. Устройство содержит боек, волновод и деформирующий инструмент в виде винтовой цилиндрической пружины, свернутой в кольцо. Деформирующий инструмент установлен на свободном конце волновода с возможностью приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки с помощью бойка и волновода. Боек и волновод выполнены в виде стержней одинакового диаметра. Свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина установлена с возможностью охватывания заготовки и ее обработки с натягом. При этом внутренний диаметр кольца упомянутой пружины меньше диаметра заготовки на величину двойного натяга. В результате расширяются технологические возможности. 1 з.п. ф-лы, 4 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, имеет ограниченные технологические возможности, 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, осуществляемой 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 [2].

Известный способ и устройство отличаются ограниченными технологическими возможностями и 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 кольцевой винтовой цилиндрической пружины, которая охватывает заготовку.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статикоимпульсного поверхностного пластического деформирования валов или винтов винтовых насосов, содержащего боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент для обработки с натягом, установленный на свободном конце волновода с возможностью приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки с помощью бойка и волновода, при этом деформирующий инструмент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, свернутой в кольцо, внутренний диаметр которого меньше диаметра заготовки на величину двойного натяга для обеспечения статической нагрузки, при этом свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина установлена с возможностью охватывания заготовки, кроме того, свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина содержит натяжное устройство для регулирования статической нагрузки.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки предлагаемым устройством для поверхностного пластического деформирования на примере заготовки - винта винтового насоса, установленной в патроне и заднем центре на токарном станке, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - элемент Б на фиг.2, деформирующая пружина находится в рабочем положении и обеспечивает статическую нагрузку, воздействующую на заготовку; на фиг.4 - элемент Б на фиг.2, деформирующая пружина находится в свободном, нерабочем положении и не оказывает статической нагрузки на заготовку, положение загрузки-выгрузки заготовки.

Предлагаемое устройство служит для поверхностного пластического деформирования деталей типа валов или винтов с использованием постоянной статической Р_ст и периодической импульсной Р_им нагрузок на деформирующий инструмент.

Заготовку 1, например винт винтового насоса, устанавливают в патроне 2, который закреплен на шпинделе 3 передней бабки 4 и поджимают центром 5 задней бабки 6 токарного станка, а деформирующее устройство 7, оснащенное механизмами статического и импульсного нагружения инструмента, - в резцедержателе 8 станка (фиг.1). В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяется гидравлический генератор импульсов (ГГИ) (не показан) [3, 4].

На свободном конце волновода 9 установлен деформирующий инструмент 10 в виде винтовой цилиндрической пружины из стали круглого сечения, свернутой в кольцо, которое охватывает обрабатываемую заготовку 1.

Кольцевая пружина 10 несколькими своими витками жестко закреплена в пазах волновода 9 известными способами, например чеканкой, как показано на фиг.2.

Внутренний диаметр D_пр кольца пружины 10 меньше диаметра D_з обрабатываемой заготовки на величину двойного натяга, который обеспечивает статическую нагрузку Р_ст.Конструкция пружины 10, изображенная на фиг.1-2, обеспечивает постоянную статическую нагрузку Р_ст, последняя зависит от свойств данной пружины, является величиной постоянной и равномерно воздействующей на всю охватываемую периферийную поверхность заготовки, с которой пружина контактирует.

Для регулирования натяга и статической нагрузки P_ст используется кольцевая пружина 10 с натяжным устройством 11. Конструкция натяжного устройства 11, изображенная на фиг.3-4, в своем составе имеет два диска 12, жестко соединенные с витками пружины 1. К одному из дисков 12 к имеющимся на нем цапфам цепляются крючки 13, а на цапфах другого диска 12 шарнирно установлена рукоятка 14. Крючки 13 шарнирно закреплены на рукоятке 14, поворачивая которую охватывают заготовку с определенным усилием или освобождают ее от действия пружины. Меняя, например, длину крючков или длину рукоятки можно менять усилие нагрузки P_ст.

Вынужденное перемещение в поперечной плоскости деформирующей пружины 1 вместе с волноводом 9 при обработке впадин и выступов винтов будет возможным благодаря пружине 15, установленной на волноводе 9.

Импульсное нагружение Р_им осуществляется посредством удара бойка 16 ГГИ (не показан) по торцу волновода 9, на котором смонтирован инструмент - деформирующая пружина 1. Энергия удара бойка 16 больше жесткости витков пружины 1, поэтому витки будут деформироваться, превращаясь из цилиндрических в эллипсные. После прекращения действия энергии удара на инструмент, витки восстанавливают свою цилиндрическую форму.

Таким образом, за один удар бойка 16 по волноводу 9 часть витков, жестко соединенных с волноводом 9, совершат одно поперечное движение к центру обрабатываемой заготовки. Частота поперечной осцилляции инструмента зависит от частоты ударов бойка гидравлического генератора импульсов.

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 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.

Обработку начинают с введения заготовки в кольцевую пружину 10. Если пружина 10 без натяжного устройства (см. фиг.2), то принудительный ее разжим осуществляют, например, пользуясь фаской, которая имеется на торце обрабатываемой заготовки, или др. известными технологическими приемами. Если пружина 10 имеет натяжное устройство конструкции, представленной на фиг.3-4, то введение заготовки в контакт с пружиной намного упрощается, для чего пользуются рукояткой 14.

Устройству 7 с инструментом 10 сообщают движение подачи S_пр, а заготовке 1 сообщают вращательное движение с частотой V_з. Деформирующий инструмент - пружина - создает постоянную статическую Р_ст силу нагружения в направлении нормали к обрабатываемой поверхности и равномерно воздействующую на всю охватываемую периферийную поверхность заготовки, с которой пружина контактирует.

Величина статической силы P_ст деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала, при этом витки деформирующей пружины, как правило, не деформируются и не изменяют свою форму в поперечном сечении пружины.

При действии на инструмент только статической нагрузки Р_ст внедрение его деформирующих элементов в обрабатываемую поверхность происходит на меньшую величину и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет минимальные размеры пятна контакта. При импульсной нагрузке Р_им внедрение инструмента в обрабатываемую поверхность происходит на большую величину и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет максимальные размеры пятна контакта. Импульсная нагрузка Р_им воздействует на заготовку не через все витки пружины 1, а только те, которые жестко соединены с волноводом 9. Одностороннее действие Р_им импульсной нагрузки вызывает прогиб оси обрабатываемой нежесткой заготовки, которой является винт или вал, и требует уравновешивающей силы, последняя обеспечивается люнетом (не показан).

Упругие деформирующие элементы инструмента, т.е. пружину 1, изготовляют из сталей: легированных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А. Твердость рабочей поверхности витков из сталей HRC 62...65.

Рабочая поверхность витков полируется до Ra=0,08...0,16 мкм.

Производительность процесса обработки предлагаемым устройством с пружинным инструментом определяется наружным диаметром витка пружины и диаметром проволоки, из которой изготовлена пружина. При обработке винтов диаметр витка пружины диктуется размерами впадины винтовой поверхности винта, а именно диаметр витка пружины должен быть таким, чтобы он контактировал со всеми точками днища впадины в продольном сечении винта (см. фиг.1).

Инструмент с большим диаметром витка пружины и диаметром проволоки позволяет вести обработку с большой продольной подачей S_пр, однако в этом случае необходимо создавать большие рабочие усилия, что снижает качество поверхности. От значения допустимого рабочего усилия зависят параметры деформирующей пружины.

Глубина упрочненного слоя обработанного предлагаемым 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 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.

Обкатывание предлагаемым способом следует проводить так, чтобы заданные результаты достигались за один проход. 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 не оказывает заметного влияния на результаты обработки и выбирается с учетом требований производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость составляет 30...150 м/мин. Значение усилия обкатывания выбирают в зависимости от цели обработки.

Оптимальная подача S_э на один деформирующий элемент не должна превышать 0,1...0,5 мм/об. Продольную подачу на один оборот заготовки S_пр определяют по формуле:

S_пр=kS_э,

где k - число деформирующих элементов;

и принимают S_пр=0,2...3 мм/об.

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 40Х, твердость НВ 270-280, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с использованием предлагаемого устройства и стенда с гидравлическим генератором импульсов. Режимы обработки следующие: частота вращения заготовки V_з=80...100 м/мин, S_пр=1,5...2,0 мм/об. Деформирующим элементом являлась пружина из термообработанной стали марки 65Г, которая изготовлялась из проволоки диаметром 2 мм, диаметр пружины 25 мм, число витков - 21 при шаге 4 мм. Рабочая поверхность витков полировалась до Ra=0,08...0,16 мкм.

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≥2,5...4,0 кН; Р_им=25,5...40,0 кН.

Глубина упрочненного статикоимпульсной 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 поверхностно-пластического деформирования.

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

Деформации витков деформирующей пружины 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 витков 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 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 - прототип.

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.

1. Устройство для статикоимпульсного поверхностного пластического деформирования валов или винтов винтовых насосов, содержащее боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент для обработки с натягом, установленный на свободном конце волновода с возможностью приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки с помощью бойка и волновода, отличающееся тем, что деформирующий инструмент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, свернутой в кольцо, внутренний диаметр которого меньше диаметра заготовки на величину двойного натяга для обеспечения статической нагрузки, при этом свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина установлена с возможностью охватывания заготовки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина содержит натяжное устройство для регулирования статической нагрузки.