Устройство для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей

Изобретение относится к металлообработке и может быть использовано при упрочняющей обработке плоских поверхностей деталей поверхностным пластическим деформированием. Устройство содержит корпус и установленные в нем деформирующие элементы. Корпус выполнен в виде плиты с кулачками и верхнего и нижнего сепараторов, в которых подвижно с возможностью продольного перемещения установлены деформирующие элементы. Деформирующие элементы выполнены в виде двухступенчатых стержней, на которых между упомянутыми сепараторами расположены пружины, обеспечивающие с возможностью регулирования статическую нагрузку. Упомянутые кулачки выполнены с возможностью воздействия на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения плиты, и создания импульсной нагрузки, величина которой регулируется вылетом кулачков из плиты. В результате расширяются технологические возможности и повышается качество обработки. 7 ил.

 

Изобретение относится к металлообработке и может быть использовано при упрочняющей обработке плоских поверхностей деталей методом поверхностного пластического деформирования (ППД).

Известно устройство для упрочнения плоских поверхностей, состоящее из корпуса и эксцентрично установленных в нем головок, на беговых дорожках которых помещены деформирующие элементы, при этом с целью повышения качества обработки в корпусе выполнены криволинейные пазы, предназначенные для установки в них с возможностью перемещения и фиксации упомянутых головок, оси которых расположены на различных расстояниях от оси корпуса [1].

Недостатком известного устройства является невозможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что снижает качество обработки, при этом устройство отличается низким кпд, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, кроме того, устройство отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Задача изобретения - расширение технологических возможностей статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования устройства, вырабатывающего импульсную нагрузку, и инструмента специальной формы, а также повышение качества обработки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей, состоящего из корпуса и установленных в нем деформирующих элементов, причем корпус выполнен из плиты с кулачками, верхнего и нижнего сепараторов, в последних подвижно с возможностью продольного перемещения установлены деформирующие элементы, выполненные в виде двухступенчатых стержней, на которых между упомянутыми сепараторами расположены пружины, обеспечивающие с возможностью регулирования статическую нагрузку, при этом импульсная нагрузка осуществляется за счет воздействия упомянутых кулачков на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения плиты, а величина импульсной нагрузки регулируется вылетом упомянутых кулачков из плиты.

Особенности конструкции и работы устройства поясняются чертежами.

На фиг.1 изображены предлагаемое устройство, продольный разрез, и схема упрочнения плоской поверхности заготовки; на фиг.2 - общий вид устройства; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - схема работы устройства в режиме статического упрочнения, на деформирующий элемент не действует импульсная нагрузка; на фиг.5 - схема работы устройства в момент начала касания кулачком деформирующего элемента; на фиг.6 - схема работы устройства в режиме статико-импульсного упрочнения в момент действия оперечной силы, вращающей сепараторы с деформирующими элементами относительно продольной оси; на фиг.7 - схема работы устройства в режиме статико-импульсного упрочнения в момент действия максимальной импульсной P_им нагрузки.

Предлагаемое устройство предназначено для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей деталей машин поверхностным пластическим деформированием. Устройству, установленному, например, в шпинделе вертикально-фрезерного станка (не показан), сообщаются вращательное движение V_и относительно собственной продольной оси и натяг путем продольного ручного перемещения S_пр, а заготовке - поперечная подача S.

Устройство имеет сборный корпус, состоящий из плиты 1, верхнего 2 и нижнего 3 сепараторов, и деформирующие элементы 4 (согласно фиг.1,2).

В верхнем 2 и нижнем 3 сепараторах, выполненных в виде дисков, по скользящей посадке в периферийных отверстиях установлены деформирующие элементы 4, которые изготовлены в виде двухступенчатых стержней, причем степенью меньшего диаметра стержни установлены в верхнем сепараторе 2. Между сепараторами 2 и 3 на деформирующих элементах 4 установлены винтовые цилиндрические пружины сжатия 5, создающие статическую нагрузку Р_ст упрочняющего воздействия деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность. Верхним торцом пружины 5 упираются в торец верхнего сепаратора 2, а нижним - в торец ступени большего диаметра деформирующих элементов 4. Сближением или удалением сепараторов друг от друга обеспечивается регулирование усилия статической нагрузки Р_ст, которое производится с помощью винтов 6 и сменных распорных втулок 7.

Верхний и нижний сепараторы 2 и 3 через свои центральные отверстия, в которых запрессованы втулки 8, играющие роль подшипников скольжения, с помощью оси 9 подвижно с возможностью вращения относительно центральной продольной оси соединены с плитой 1 устройства. Ось 9 жестко закреплена на центральной продольной оси в плите 1, а имеющаяся на оси 9 ступень 10 большего диметра служит упором, передающим продольное ручное перемещение S_пр от хвостовика 11 и плиты 1 сепараторам 2 и 3.

В плите 1 расположены кулачки 12, в данной конструкции устройства они представлены в форме шариков. Плита 1 имеет цилиндрические глухие отверстия, в каждом из которых последовательно установлены пружина 13, шайба 14 и кулачок 12, которые удерживаются с помощью крышки 15 с отверстиями, жестко прикрепленной винтами 16 к плите 1. Пружина 13 с одной стороны упирается в дно отверстия плиты 1, а с другой через шайбу 14 в кулачок 12, который выступает из отверстия крышки 15 на величину h. К плите 1 сверху болтами 17 крепится конус 11, с помощью которого она монтируется в шпинделе станка.

Для того чтобы компенсировать погрешность установки приспособления относительно поверхности заготовки, между конусом 11 и плитой 1 установлен центрирующий шар 18, а болты 17 контактируют с поверхностью фланца конуса 11 через резиновые втулки 19.

Устройство работает следующим образом.

Заготовка 20 крепится на столе станка, например, в тисках (не показаны). Устройство конусом 11 вставляется в шпиндель станка (не показан). Движением S_пр шпинделя станка вниз конус 11, плита 1 выступом 10 оси 9 давят на верхний сепаратор 2, который через пружины 5 статически поджимает с необходимой силой Р_ст деформирующие элементы 4 к упрочняемой поверхности.

В результате этого действия осуществляется пластическое деформирование поверхности заготовки на величину α_ст. При этом зазор между свободным торцом деформирующего элемента и поверхностью кулачка должен оставаться не более h. Величина зазора h может быть обеспечена щупом, толщина которого не более h и который устанавливается между торцом деформирующего элемента 4 и крышкой 15 при поджатии устройства к упрочняемой поверхности и затем вынимается перед включением вращения шпинделя станка.

После статического поджатая устройства к упрочняемой поверхности положение шпинделя фиксируется и включается подача S стола с заготовкой, в результате чего заготовка начинает перемещаться в поперечном направлении относительно деформирующих элементов 4. Включается вращение V_u шпинделя, который вращает плиту 1, при этом кулачки будут ударять по свободным торцам деформирующих элементов 4 с силой Р (фиг.5-6), одновременно сдвигая их по направлению вращения шпинделя с силой Р_дв на некоторое расстояние L и вдавливая в упрочняемую поверхность с силой Р_им, на величину α_им Величина и направление силы Р зависит от формы кулачков, величины выступа их из плиты А, от жесткости кулачковых пружин 13, а частота импульсов - от скорости вращения V_u.

Кулачковые пружины 13 в отверстиях плиты выполняют функцию демпфирующих элементов, снижающих вибрационные нагрузки на всю конструкцию устройства и на станок.

На кинетическую энергию удара будут оказывать влияние угловая скорость движения деформирующих элементов 4 и сила их статического поджатия к упрочняемой поверхности. Количество переданной энергии удара в упрочняемую поверхность будет определяться формой ударных импульсов.

Устройство позволяет производить нагружение упрочняемой поверхности ударными импульсами различной формы.

Длительность ударных импульсов регулируется размерами поперечного сечения деформирующих элементов.

В отличие от известных схем упрочнения, когда удар осуществляется непосредственно деформирующим элементом и форма импульса регулируется только за счет изменения диаметра и длины деформирующих элементов, в данном устройстве форма импульса может изменяться за счет формы и размеров кулачков, что расширяет технологические возможности и упрощает конструкцию.

В отличие от известных устройств появляется возможность использования для нагружения деформирующих элементов не только цилиндрической, но и другой формы, например конической, гиперболической, торообразной и. т.д., при этом кулачки могут быть в виде цилиндра с плоским торцом и с различными значениями угла наклона торца относительно продольной оси цилиндра; скругленным торцом с различным радиусом, вогнутым или выпуклым; фасонным (торообразным, гиперболическим и т.д.).

Пример. Производили экспериментальную обработку - упрочнение предлагаемым устройством плоской поверхности шириной 80 мм и длиной 590 мм на вертикально-фрезерном станке мод. 6Р13; упрочняли за один проход. Параметр шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки R_a=3,2 мкм. Параметр шероховатости обработанной поверхности готовой детали R_a=0,32 мкм. Материал заготовки - сталь 45 с пределом прочности σ_в=670 МПа. Станок оснащен устройством для активного контроля обрабатываемых заготовок. Обработку производили устройством, у которого плита имела наружный диаметр 130 мм, упрочняющие, деформирующие элементы располагались на диаметре 100 мм, диаметр деформирующих элементов 15 мм, их количество 8 шт. Обработка проводилась при следующих режимах. Частоту вращения литы с кулачками принимали 50 мин^-1, при этом скорость упрочнения составила V_и=15,7 м/мин, подача стола с заготовкой S=250 мм/мин. Охлаждающая жидкость - эмульсия. Деформирующие элементы были изготовлены из сплава марки 38ХМЮА и после азотирования имели твердость 60…64 HRC. Затем их рабочая поверхность была отполирована до R_a=0,04…0,08 мкм. При осевой импульсной нагрузке 400-600 Н упрочнение поверхностного слоя доходило до 15…25%. Для обеспечения необходимого качества и размерной точности обработки потребовалось основного времени 2,4 мин, что в 2,5 раза быстрее, чем при обычном упрочнении.

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 статико-импульсной обработки 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.

Значения технологических факторов (частота ударов, величина амплитуды, 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.

Упрочненный слой при традиционном статическом накатывании 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 статико-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 5 раз.

Микровибрации в процессе благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. 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.

Достоинствами предлагаемого устройства является возможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что повышает качество обработки; устройство отличается компактностью и высоким кпд, малой энергоемкостью (по сравнению с известными [2, 3]), достаточно большой глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности; устройство отличается широкими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования устройства, вырабатывающего импульсную нагрузку, и инструмента специальной формы, а также повышает качества обработки.

Источники информации, принятые во внимание

1. Авторское свидетельство СССР №944897, В24В 39/00. Устройство для упрочнения плоских поверхностей. Вишнев Н.В. и др. Заявка №2977796/25-08; 03.09.1980; 23.07.1982. Бюл. №27 - прототип.

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

3. 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 статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей, содержащее корпус и установленные в нем деформирующие элементы, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде плиты с кулачками и верхнего и нижнего сепараторов, в которых подвижно с возможностью продольного перемещения установлены деформирующие элементы, выполненные в виде двухступенчатых стержней, на которых между упомянутыми сепараторами расположены пружины, обеспечивающие с возможностью регулирования статическую нагрузку, при этом упомянутые кулачки выполнены с возможностью воздействия на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения плиты, и создания импульсной нагрузки, величина которой регулируется вылетом кулачков из плиты.