Устройство для импульсного упрочнения отверстий

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки отверстий поверхностным пластическим деформированием с импульсным нагружением инструмента. Устройство содержит оправку, в центральном отверстии которой размещен боек с отверстием и шток, размещенный в отверстии бойка. На штоке с возможностью продольного перемещения установлены деформирующие элементы. Деформирующие элементы выполнены в виде пакета тарельчатых пружин с радиальными пазами и центральным отверстием. Тарельчатые пружины находятся между торцом штока и бойком и выполнены с возможностью восприятия периодической импульсной нагрузки бойка, обеспечивающей увеличение тарельчатых пружин в диаметре и их прогиб, определяемый по формуле, приведенной в описании. В результате расширяются технологические возможности, увеличивается производительность и снижаются расходы. 6 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки отверстий деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием с импульсным нагружением инструмента.

Известно устройство для статико-импульсного раскатывания отверстий, содержащее оправку, на центральной продольной оси которой размещены выполненные в виде стержней волновод и боек, последний из которых установлен с возможностью воздействия на волновод для передачи периодической импульсной нагрузки, причем оно снабжено сменными деформирующими инструментами, закрепленными на радиально расположенных плунжерах, смонтированными на плунжерах пакетами тарельчатых пружин для обеспечения приложения статической нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности и винтовой цилиндрической пружиной сжатия для воздействия на свободный торец волновода, поверхность которого выполнена конической и расположена в контакте со свободными торцами плунжеров [1].

Известное устройство отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, а также сложностью конструкции и низкой производительностью из-за малого количества деформирующих элементов.

Известны способ и устройство для чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием [2], 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, отличается ограниченными возможностями, низким кпд, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен способ и устройство для статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, осуществляемым 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 [3].

Известные способ и устройство отличаются ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом внутренней поверхности путем использования устройства и инструмента специальной формы с большим количеством деформирующих элементов, что позволяет увеличить производительность и снизить расходы на изготовление благодаря простоте конструкции.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства, предназначенного для импульсного упрочнения отверстий и содержащего оправку, в центральном отверстии которой размещен боек для передачи импульсной нагрузки деформирующим элементам, при этом на центральной продольно оси отверстия бойка размещен шток, на котором с возможностью продольного перемещения установлены деформирующие элементы, выполненные в виде пакета тарельчатых пружин с радиальными пазами и центральным отверстием, причем, находясь между торцом штока и бойком, упомянутые тарельчатые пружины воспринимают на себя периодическую импульсную нагрузку бойка, благодаря которой они увеличиваются в диаметре и прогибаются на величину f, которая определяется по формуле

f=0,5(D_з-2h-d)tgα_P-0,5(D_T-d)tgα_св,

где D_з - диаметр обрабатываемого отверстия заготовки, мм;

h - натяг, необходимый для упрочнения, мм;

d - диаметр отверстия тарельчатой пружины, мм;

α_Р и α_св - угол конуса тарельчатой пружины соответственно в рабочем нагруженном и свободном состоянии, град;

D_Т - наружный диаметр тарельчатой пружины в свободном не нагруженном состоянии, мм.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки предлагаемым устройством для импульсного упрочнения, продольный разрез, тарельчатые пружины в свободном не нагруженном состоянии; на фиг.2 - схема обработки предлагаемым устройством для импульсного упрочнения, продольный разрез, тарельчатые пружины в нагруженном состоянии; на фиг.3 - схема обработки предлагаемым устройством для импульсного упрочнения, совмещенный продольный разрез, тарельчатые пружины в свободном не нагруженном (вверху) и нагруженном (внизу) состоянии; на фиг.4 - деформирующий элемент - тарельчатая пружина с радиальными пазами и центральным отверстием, продольный разрез и вид с торца, пунктирной линией показано положение пружины в нагруженном рабочем состоянии; на фиг.5 - вариант конструкции тарельчатой пружины с меньшей жесткостью по сравнению с пружиной, представленной на фиг.4; на фиг.6 - вариант конструкции тарельчатой пружины с меньшей площадью периферийной рабочей поверхности по сравнению с пружиной, представленной на фиг.4.

Предлагаемое устройство служит для поверхностного пластического деформирования внутренней поверхности отверстия заготовок с использованием периодической импульсной нагрузки на деформирующие элементы.

Предлагаемое устройство содержит оправку 1 в виде втулки, в отверстии которой размещен боек 2 с возможностью свободного продольного перемещения в ней. Боек 2 свободно по скользящей посадке установлен на центральном штоке 3. Оправка 1 и шток 3 жестко связаны друг с другом (не показано) и совершают синхронное продольное перемещение S_пр при обработке отверстия. На штоке 3 с возможностью продольного перемещения установлены деформирующие элементы, выполненные в виде пакета тарельчатых пружин 4 с радиальными пазами и центральным отверстием. Торцовая поверхность тарельчатых пружин 4 выполнена конической с углом наклона α_св к центральной оси, когда пружина находится в свободном не нагруженном состоянии. Тарельчатые пружины 4 располагаются на штоке между торцом фланца 5, жестко закрепленного на штоке 3, и бойком 2. При перемещении бойка 2 справа налево, согласно фиг.1-3 тарельчатые пружины 4 воспринимают на себя периодическую импульсную нагрузку Р_им бойка 2, благодаря которой они перемещаются к фланцу 5 и прогибаются на величину f, увеличиваясь по наружному диаметру D_т. Максимально достижимый наружный диаметр D_т ^max деформированной тарельчатой пружины равен:

D_т ^max=D_T+2z+2h

где D_т - наружный диаметр тарельчатой пружины в свободном не нагруженном состоянии, мм;

z - гарантированный зазор, необходимый для свободного ввода устройства в обрабатываемое отверстие, мм;

h - натяг, необходимый для упрочнения, мм.

Однако деформирующие элементы пружины не достигают максимального диаметра D_т ^max ввиду того, что последний больше диметра обрабатываемого отверстия D_з, благодаря чему создается натяг h, при этом все деформирующие элементы пружины контактируют с обрабатываемой поверхностью, т.е. пружина становится в распор и реализуется упрочнение внутренней поверхности заготовки.

В качестве механизма импульсного нагружения тарельчатых пружин применяется гидравлический генератор импульсов [4, 5] или другой известной конструкции (не показан).

Тарельчатые пружины 4 могут быть выполнены по ГОСТ 3057-79 из стали 60С2А (или другой пружинной стали по ГОСТ 14963-78) с различным расположением радиальных пазов (см. фиг.4-6) и различными размерами контактирующих с заготовкой частей периферийной поверхности деформирующих элементов. Чем больше радиальных пазов имеет тарельчатая пружина, тем меньше ее жесткость и сопротивляемость прогибу и тем меньше площадь контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью.

Величина прогиба тарельчатых пружин f в зависимости от геометрических размеров устройства и обрабатываемого отверстия определяется по формуле

f=0,5(D_з-2h-d)tgα_P-0,5(D_т-d)tgα_св,

где D_з - диаметр обрабатываемого отверстия заготовки, мм;

h - натяг, необходимый для упрочнения, мм;

d - диаметр отверстия тарельчатой пружины, мм;

α_Р и α_СВ - угол конуса тарельчатой пружины соответственно в рабочем нагруженном и свободном состоянии, град;

D_т - наружный диаметр тарельчатой пружины в свободном не нагруженном состоянии.

При обработке заготовка получает вращение V_з, а устройство для упрочнения - движение продольной подачи S_пр вдоль оси обрабатываемой заготовки. Во время ввода устройства в обрабатываемое отверстие деформирующие тарельчатые пружины 4 находятся в свободном состоянии и их наружный диаметр меньше внутреннего диаметра обрабатываемого отверстия; количество тарельчатых пружин 4 в пакете зависит от конкретных условий обработки и технических требований, предъявляемых к обрабатываемой поверхности, устанавливается экспериментально с учетом конструктивных особенностей. С целью уменьшения трения между торцами соседних тарельчатых пружин 4 могут быть установлены тонкие прокладки, например, из фторопласта (не показаны).

На крайнюю к бойку 2 тарельчатую пружину 4 воздействует боек 2, соединенный с механизмом импульсного нагружения (не показан) в виде гидравлического генератора импульсов [3-5].

Периодическую импульсную Р_им нагрузку прикладывают в направлении продольной подачи и благодаря особенностям конструкции тарельчатых пружин направляют ее по нормали к обрабатываемой поверхности.

Периодическая импульсная нагрузка Р_им должна быть больше суммарной силы, требуемой для деформации тарельчатых пружин, и силы, необходимой для упрочнения. Отвод бойка после удара в первоначальное положение (согласно фиг.1-3, вправо) осуществляется за счет упругости тарельчатых пружин и возвращения их в первоначальное свободное состояние.

В результате удара бойка 2 по торцу пакета тарельчатых пружин последние воздействуют на обрабатываемую поверхность с цикличностью, задаваемой гидравлическим генератором импульсов. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструмента.

Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым устройством, достигает 5...2,5 мм, что значительно (в 3...4 раза) больше, чем при традиционном статическом упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15...30%. В результате импульсной обработки предлагаемым устройством по сравнению с традиционным раскатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 1,8...2,7 раз, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, в 1,7...2,2 раза.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки гильзы с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частоты ударов, величины 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 P_ст≥25...40 кН; Р_им=255...400 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость «сырых» образцов - HV 270...280. Глубина упрочненного импульсной обработкой слоя в 3...4 раза выше, чем при традиционном раскатывании.

Упрочненный слой при традиционном статическом раскатывании 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 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 устройством предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 4 раза. Микровибрации в процессе, реализуемом предлагаемым устройством, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента - тарельчатых пружин. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом внутренней поверхности путем использования устройства и инструмента специальной формы с большим количеством деформирующих элементов, что позволяет увеличить производительность и снизить расходы на изготовление благодаря простоте конструкции.

Источники информации, принятые во внимание

1. Патент РФ №2283748, МКИ В24В 39/02. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Афонин А.Н., Самойлов Н.Н. Устройство для статико-импульсного раскатывания. №2005121091/02, 05.07. 2005; 20.09.2006. Бюл. №26 - прототип.

2. А с. СССР №456719, МКИ В24В 39/00. Способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием, 1974.

3. 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.

4. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.

5. Патент РФ №2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. №34.

Устройство для импульсного упрочнения отверстий, содержащее оправку, в центральном отверстии которой размещен боек для передачи импульсной нагрузки деформирующим элементам, отличающееся тем, что на центральной продольной оси отверстия бойка размещен шток, на котором с возможностью продольного перемещения установлены деформирующие элементы, выполненные в виде пакета тарельчатых пружин с радиальными пазами и центральным отверстием, при этом упомянутые тарельчатые пружины находятся между торцом штока и бойком и выполнены с возможностью восприятия периодической импульсной нагрузки бойка, обеспечивающей увеличение тарельчатых пружин в диаметре и их прогиб на величину f, определяемую по формуле

f=0,5(D_З-2h-d)tgα_P-0,5(D_T-d)tgα_СВ,

где D_З - диаметр обрабатываемого отверстия заготовки, мм;

h - натяг, необходимый для упрочнения, мм;

d - диаметр центрального отверстия тарельчатой пружины, мм;

α_P и α_CB - угол конуса тарельчатой пружины соответственно в рабочем, нагруженном и свободном состоянии, град.;

D_T - наружный диаметр тарельчатой пружины в свободном, ненагруженном, состоянии, мм.