Способ обработки сферических поверхностей поверхностным пластическим деформированием

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к обработке сферических заготовок поверхностным пластическим деформированием. Сообщают вращательное движение заготовке и движение продольной подачи головке. Используют головку, содержащую индивидуальный привод со шпинделем, корпус с по меньшей мере тремя деформирующими элементами и винтовую цилиндрическую пружину для обеспечения самоцентрирования деформирующих элементов. Упомянутый корпус выполнен с хвостовиком и установлен на шпинделе посредством винтовой цилиндрической пружины. Один конец винтовой цилиндрической пружины навернут на хвостовик корпуса, а другой - на шпиндель. При этом сообщают вращательное движение деформирующим элементам, выполненным в виде цилиндрических вставок, на которых эксцентрично закреплены сферические рабочие части, которые контактируют с обрабатываемой сферической поверхностью. В результате расширяются технологические возможности, повышается качество и точность обработки. 3 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам отделочно-упрочняющей обработки сферических поверхностей деталей, например автомобильных шаровых пальцев из сталей и сплавов, поверхностным пластическим деформированием (ППД) со статическим нагружением деформирующих элементов.

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

Известный способ отличается низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и невысокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, при этом примененный несамоустанавливающийся инструмент не позволяет получать качественную обрабатываемую поверхность.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей ППД благодаря использованию статического нагружения деформирующих элементов, позволяющее управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, а также повышение качества и точности обработки сферической поверхности обрабатываемой заготовки.

Поставленная задача решается предлагаемым способом обработки сферических поверхностей поверхностным пластическим деформированием, включающим сообщение вращательного движения заготовке, при этом используют головку, содержащую индивидуальный привод со шпинделем, корпус с по меньшей мере тремя деформирующими элементами и винтовую цилиндрическую пружину для обеспечения самоцентрирования деформирующих элементов, корпус выполнен с хвостовиком и установлен на шпинделе посредством упомянутой винтовой цилиндрической пружины, один конец которой навернут на хвостовик корпуса, а другой - на шпиндель, деформирующие элементы выполнены в виде цилиндрических вставок, на которых эксцентрично закреплены сферические рабочие части, которые контактируют с обрабатываемой сферической поверхностью, при этом сообщают движение продольной подачи головке для обеспечения статической нагрузки деформирующим элементам, вращательное движение деформирующим элементам и обеспечивают возможность регулировки последних в продольном и радиальном направлениях.

Сущность способа обработки сферических поверхностей ППД поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки поверхностным пластическим деформированием заготовки автомобильного шарового пальца, установленного в специальном приспособлении с базированием по конической поверхности, со статическим нагружением деформирующих элементов; на фиг.2 - сечение А - А на фиг.1; на фиг.3 - элемент Б на фиг.1.

Предлагаемый способ служит для ППД сферических поверхностей 1 с нагружением постоянной статической нагрузкой деформирующих элементов 2, при этом обрабатываемой заготовке 3, например, типа автомобильного шарового пальца сообщают вращательное движение V_з, а деформирующим элементам - вращательное движение V_и и продольную подачу S_пр к центру О сферической поверхности.

Головка, реализующая предлагаемый способ, содержит индивидуальный привод (не показан) со шпинделем 4, который гибко соединен с корпусом 5 с деформирующими элементами 2 в количестве не менее трех.

Корпус 5 с деформирующими элементами 2 установлен на шпинделе 4 головки с возможностью самоцентрирования посредством винтовой цилиндрической пружины 6, которая одним концом навернута на хвостовик 7 корпуса 5, а другим концом - на шпиндель 4. На хвостовиках корпуса и шпинделя нарезана специальная винтовая канавка под закрепляемую на них пружину 6.

Давая продольную подачу S_пр головке, обеспечивают статическую нагрузку деформирующим элементам 2. Таким образом, пружина 6 одновременно передает вращательное движение от шпинделя 4 и статическую нагрузку на деформирующие элементы 2.

Деформирующие элементы 2 состоят из цилиндрических вставок 8 и сферических рабочих частей 9, непосредственно контактирующих с обрабатываемой сферической поверхностью 1 заготовки. Деформирующие элементы 2 совершают вращательное движение по окружности диаметром d, лежащей в плоскости, которая смещена относительно центра О обрабатываемой сферической поверхности на величину, зависящую от конструктивных особенностей обрабатываемой заготовки. С этой целью деформирующие элементы 2 имеют возможность регулирования в продольном направлении с помощью винта 10 и в радиальном направлении благодаря эксцентричной с эксцентриситетом δ установке сферических рабочих частей 9 на цилиндрических вставках 8.

Неполная сферическая поверхность обрабатываемой заготовки вынуждает устанавливать продольную ось головки под углом α относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки, величина которого также зависит от конструктивных особенностей обрабатываемой заготовки.

Пружинное соединение 6 шпинделя 4 с деформирующим элементом 2 позволяет осуществить самоцентрирование и самоустановку деформирующих элементов 2 на обрабатываемой заготовке 3 при случайном отклонении продольной оси шпинделя 4 от центра О обрабатываемой сферической поверхности 1. Величина статической силы деформирования, развиваемая пружиной 6 при продольном перемещении головки к центру О заготовки, зависит от свойств пружины 6, а именно от материала проволоки, из которой навита пружина, ее диаметра, диаметра витков пружины и количества рабочих витков, расположенных между торцами шпинделя 4 и хвостовика 7 корпуса 5, т.е. от расстояния l.

Величина статической силы деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала.

Точность формы обрабатываемой сферической поверхности заготовки предлагаемым способом с помощью деформирующей головки повышается и снижается величина шероховатости благодаря самоцентрированию и самоустановке деформирующих элементов на обрабатываемой заготовке при ее биениях и вибрациях.

Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым способом, достигает 0,5...1,5 мм, что значительно (в 1,5...2 раза) больше, чем при традиционном упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15...25%. В результате обработки предлагаемым способом по сравнению с традиционным накатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 1,5...2,2 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,3...1,6 раза.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым способом, проведены экспериментальные исследования обработки автомобильного шарового пальца с использованием деформирующей головки. Заготовку пальца шарового верхнего 2101-2904187, установленную в специальном электромеханическом приспособлении, обкатывали на станке мод. 16К20 деформирующей головкой. 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 элементом в виде цилиндрических вставок с эксцентричной установкой сферических (радиус сферы 7 мм) рабочих частей, изготовленных из эльбора, на следующих режимах: скорость вращения заготовки V_з=10 м/мин (n_з=100 мин^-1); скорость ППД V_и=50 м/мин (n_з=500 мин^-1); продольная подача S_пр=0,1 мм^-1 деформирующих элементов осуществлялась до создания величины силы статического поджатия элементов к обрабатываемой поверхности Р_ст≥25...40 кН; глубина слоя повышенной твердости составляла 0,15...0,20 мм; смазывающе-охлаждающей жидкостью служил сульфофрезол (5%-ная эмульсия).

Требуемая шероховатость и точность сферической поверхности были достигнуты за Т_м=0,7 мин (против Т_м ^баз=2,75 мин по базовому варианту при традиционной обработке шариком 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 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 сферических поверхностей уменьшился до значения Ra=0,32...0,63 мкм при исходном - Ra=3,2...6,3 мкм, производительность повысилась более чем в три раз по сравнению с традиционным обкатыванием. Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя 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 Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 4 раза.

Статическая нагрузка, создаваемая головкой, благоприятно сказывается на условиях работы деформирующих элементов. Самоцентрирование приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, облегчает формирование упрочняемой поверхности.

При наложении статической нагрузки деформирующая поверхность всех деформирующих элементов изнашивается одинаково, что способствует увеличению общей стойкости головки.

Статическая нагрузка способствует лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. Обработка в условиях статических нагрузок увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта деформирующих элементов и заготовки.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности ППД благодаря использованию самоцентрирующего статического нагружения на деформирующие элементы, позволяет весьма просто управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, а также повышает качество и точность обработки путем самоустановки деформирующих элементов на сферической поверхности обрабатываемой 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 - прототип.

Способ обработки сферических поверхностей поверхностным пластическим деформированием, включающий сообщение вращательного движения заготовке, отличающийся тем, что используют головку, содержащую индивидуальный привод со шпинделем, корпус с по меньшей мере тремя деформирующими элементами и винтовую цилиндрическую пружину для обеспечения самоцентрирования деформирующих элементов, корпус выполнен с хвостовиком и установлен на шпинделе посредством упомянутой винтовой цилиндрической пружины, один конец которой навернут на хвостовик корпуса, а другой - на шпиндель, деформирующие элементы выполнены в виде цилиндрических вставок, на которых эксцентрично закреплены сферические рабочие части, которые контактируют с обрабатываемой сферической поверхностью, при этом сообщают движение продольной подачи головке для обеспечения статической нагрузки деформирующим элементам и вращательное движение деформирующим элементам и обеспечивают возможность регулировки последних в продольном и радиальном направлениях.