Роторный генератор механических импульсов для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к вибрационным устройствам для отделочно-упрочняющей обработки. Устройство содержит корпус, сепаратор и деформирующие элементы. Корпус выполнен в виде диска с центральным отверстием и полым валом, выполненным с возможностью передачи вращения от индивидуального привода. В корпусе выполнены периферийные отверстия, в которых установлены подпружиненные кулачки с возможностью регулирования их вылета в продольном направлении. Сепаратор закреплен на центральном валу, который коаксиально расположен в полому валу и имеет свой индивидуальный привод. В сепараторе выполнены периферийные отверстия, в которых соосно кулачкам установлены упомянутые деформирующие элементы. Деформирующие элементы выполнены в виде ступенчатых стержней и имеют тарельчатые пружины для обеспечения статической нагрузки. Кулачки выполнены с возможностью осуществления импульсной нагрузки на деформирующие элементы с частотой импульсов в зависимости от скорости принудительного вращения корпуса и скорости вращения сепаратора. Величина импульсной нагрузки регулируется вылетом кулачков из корпуса и степенью сжатия пружин кулачков. В результате расширяются технологические возможности и повышается качество обработки. 9 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к вибрационным устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) со статико-импульсным нагружением деформирующих элементов.

Известно устройство для упрочняющей обработки, состоящее из вибратора возвратно-продольных колебаний деформирующего элемента и кулачка, приводимого во вращение от электродвигателя через бесступенчатый редуктор, и предназначенного для возбуждения поперечных колебательных движений этого деформирующего элемента [1].

Устройство отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известно устройство для ударного вибронакатывания, содержащее корпус, сепаратор с деформирующим элементом, опору в виде гладкого ролика, установленную в корпусе с возможностью вращения, при этом оно снабжено приводом опоры и упругим элементом, один конец которого закреплен на корпусе, а другой - на сепараторе [2].

Устройство отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен генератор механических импульсов (ГМИ) для вибрационного статико-импульсного упрочнения, отличающийся независимым регулированием энергии и частоты ударов [3, 4]. В конструкцию ГМИ входят волновод с закрепленным на нем деформирующим элементом, и боек, которые расположены в корпусе, гидроцилиндр статического воздействия на корпус, гидродвигатель, вращающий золотник кранового распределителя, редукционный клапан и дроссель.

Известный ГМИ представляет собой весьма сложную, дорогостоящую, металлоемкую и энергоемкую конструкцию, которая значительно увеличивает себестоимость изготовления обрабатываемых деталей.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности при минимальной энергоемкости и трудоемкости изготовления оснастки путем использования роторного генератора механических импульсов, имеющего кулачки и набегающие на них деформирующие элементы.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого роторного генератора механических импульсов (РГМИ) для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей, состоящего из корпуса, сепаратора и установленных в последнем деформирующих элементов, причем корпус выполнен в виде диска с центральным отверстием и полым валом, передающим вращение от индивидуального привода, при этом в периферийных отверстиях корпуса установлены подпружиненные кулачки с возможностью регулирования их вылета в продольном направлении, а сепаратор закреплен на центральном валу, который коаксиально расположен в полому валу и имеет свой индивидуальный привод, при этом в периферийных отверстиях сепаратора соосно кулачкам установлены деформирующие элементы, выполненные в виде ступенчатых стержней, имеющие тарельчатые пружины для обеспечения статической нагрузки, кроме того, импульсная нагрузка осуществляется за счет воздействия упомянутых кулачков на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения корпуса и скорости вращения сепаратора, а величина импульсной нагрузки регулируется вылетом упомянутых кулачков из корпуса и степенью сжатия кулачковых пружин.

Особенности конструкции и работы предлагаемого РГМИ поясняются чертежами.

На фиг.1 изображен предлагаемый РГМИ, продольный разрез и схема упрочнения плоской поверхности заготовки; на фиг.2 - общий вид РГМИ; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - элемент Б на фиг.1, зона контакта кулачка с деформирующим элементом, форма рабочей поверхности кулачка, плоская с углом наклона а; на фиг.5 - элемент Б на фиг.1, зона контакта кулачка с деформирующим элементом, форма рабочей поверхности кулачка, скругленная радиусом R, выпуклая; на фиг.6 - элемент Б на фиг.1, зона контакта кулачка с деформирующим элементом, форма рабочей поверхности кулачка скругленная радиусом R, вогнутая; на фиг.7, 8, 9 - тарельчатые пружины различной жесткости, обеспечивающие статическую нагрузку на деформирующие элементы, варианты конструкций, продольный разрез и вид с торца.

Предлагаемый роторный генератор механических импульсов (РГМИ) предназначен для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей деталей машин поверхностным пластическим деформированием. РГМИ устанавливается, например, на шпиндельной бабке вертикально-фрезерного станка (не показан), корпусу 1 сообщается вращательное движение V_ИК относительно собственной продольной оси, сепаратору 2 сообщается встречное вращательное движение V_ИД и натяг путем продольного ручного перемещения S_ПР, а заготовке 3, закрепленной на столе - поперечная подача S.

РГМИ имеет корпус 1, выполненный в виде диска с центральным отверстием и полым валом 4, передающим вращение V_ИК от индивидуального привода (не показан). В периферийных отверстиях 5 корпуса 1 установлены подпружиненные пружинами 6 кулачки 7 с возможностью регулирования их вылета h в продольном направлении. Регулирование усилия, оказываемого пружинами 6 на кулачки 7, осуществляется винтами 8. На фиг.1-2 показаны винты 8 с шестигранным углублением под ключ по ГОСТ 11738-72. Вылет кулачков 7 ограничивает крышка 9, закрепленная на торце корпуса 1 винтами 10.

Сепаратор 2 жестко закреплен на центральном валу 11 с помощью шпонки и гайки 12. Центральный вал 11 коаксиально расположен в полом валу 4 и имеет свой индивидуальный привод (не показан), позволяющий развивать скорость вращения V_ИД как в попутном, так и встречном направлении относительно вращения полого вала 4. Центральный вал 11 имеет опору, состоящую из подшипников качения 13 и распорной втулки 14.

В периферийных ступенчатых отверстиях 15 сепаратора 2 соосно кулачкам 7 установлены деформирующие элементы 16, выполненные в виде ступенчатых стержней. Деформирующие элементы 16 одним торцом контактируют с кулачками 7, а другим - с обрабатывающей поверхностью 17 заготовки 3. Для обеспечения статической нагрузки Р_ст, оказываемой деформирующими элементами на обрабатываемую поверхность, на малой ступени деформирующих элементов 16 установлен пакет тарельчатых пружин 18. На торцах сепаратора 2 установлены крышки 19 и 20, которые предохраняют от выпадания деформирующих элементов 16 и позволяют регулировать Р_ст. Набором тарельчатых пружин 18 (см. фиг.7-9) можно регулировать и устанавливать необходимую статическую нагрузку Р_ст.

Импульсная нагрузка Р_ИМ осуществляется за счет воздействия кулачков 7 на деформирующие элементы 16 с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения корпуса V_ИК и скорости вращения сепаратора V_ИД, а величина импульсной нагрузки Р_ИМ обеспечивается и регулируется вылетом кулачков 7 из корпуса 1 и степенью сжатия кулачковых пружин 6.

РГМИ работает следующим образом. Заготовка 3 крепится на столе станка, например, в тисках (не показаны). РГМИ устанавливается на шпиндельной бабке станка (не показан). Движением S_ПР шпиндельной бабки станка вниз центральный вал 11, сепаратор 2, через крышку 19, пружины 18 статически поджимают с необходимой силой Р_ст деформирующие элементы 16 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 16 и крышкой 9 при поджатии РГМИ к упрочняемой поверхности и затем вынимается перед включением вращения валов.

После статического поджатия РГМИ к упрочняемой поверхности положение РГМИ фиксируется и включается подача S стола с заготовкой, в результате чего заготовка начинает перемещаться в поперечном направлении относительно деформирующих элементов 16. Включается вращение V_ИК полого вала 4, который вращает корпус 1, при этом кулачки будут ударять по свободным торцам деформирующих элементов 16 с силой Р_ИМ, вдавливая их в упрочняемую поверхность на величину α_им. Величина и направление силы Р_ИМ зависят от формы кулачков, величины выступа их из корпуса h, от жесткости кулачковых пружин 6, а частота импульсов - от скоростей вращения V_ик и V_ид.

Кулачковые пружины 6 в отверстиях корпуса выполняют функцию демпфирующих элементов, снижающих вибрационные нагрузки на всю конструкцию РГМИ и на станок.

На кинетическую энергию удара будет оказывать влияние угловая скорость движения деформирующих элементов 16 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 или призмы с плоским торцом и с различными значениями угла наклона а торца относительно продольной оси цилиндра (см. фиг.4); скругленным торцом с различным радиусом R, вогнутым (см. фиг.6) или выпуклым (см. фиг.5); фасонным (торообразным, гиперболическим и т.д.).

Пример. Производили экспериментальную обработку - упрочнение предлагаемым РГМИ плоской поверхности шириной 80 мм и длиной 590 мм на вертикально-фрезерном станке мод. 6Р13; упрочняли за один проход. Параметр шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки Ra=3,2 мкм. Параметр шероховатости обработанной поверхности готовой детали Ra=0,32 мкм. Материал заготовки - сталь 45 с пределом прочности σ_в=670 МПа. Станок оснащен устройством для активного контроля обрабатываемых заготовок. Обработку производили РГМИ, у которого корпус имел 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. Вращения корпуса с кулачками и сепаратора принимали разнонаправленными с частотой, равной 50 мин^-1, при этом скорость упрочнения составила V_и=31,4 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 Ra=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 2,3 мин, что в 2,6 раза быстрее, чем при обычном упрочнении.

Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым РГМИ, 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 РГМИ 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 РГМИ 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 РГМИ предельная величина шероховатости составляет Ra=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 РГМИ является возможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что повышает качество обработки; РГМИ отличается компактностью и высоким КПД, малой энергоемкостью (по сравнению с известными [2-4]), достаточно большой глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности; РГМИ отличается широкими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

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

Источники информации

1. А.с. СССР 366062, МПК В24В 39/00. Способ упрочнения поверхности металлических деталей. Г.М.Азаревич. 1616331/25-8. 07.12.1970; 10.01.1973.

2. А.с. СССР 1238952, МПК В24В 39/00. Устройство для ударного вибронакатывания. Ю.Г.Шнейдер, Б.Н.Букин, Г.Р.Круглов. 3818752/25-27.04.12.1984; 23.06.1986 - 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.

Роторный генератор механических импульсов для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей, содержащий корпус, сепаратор и установленные в последнем деформирующие элементы, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде диска с центральным отверстием и полым валом, выполненным с возможностью передачи вращения от индивидуального привода, в корпусе выполнены периферийные отверстия, в которых установлены подпружиненные кулачки с возможностью регулирования их вылета в продольном направлении, сепаратор закреплен на центральном валу, который коаксиально расположен в полом валу и имеет свой индивидуальный привод, в сепараторе выполнены периферийные отверстия, в которых соосно кулачкам установлены упомянутые деформирующие элементы, выполненные в виде ступенчатых стержней и имеющие тарельчатые пружины для обеспечения статической нагрузки, при этом кулачки выполнены с возможностью осуществления импульсной нагрузки на деформирующие элементы с частотой импульсов в зависимости от скорости принудительного вращения корпуса и скорости вращения сепаратора, а величина импульсной нагрузки регулируется вылетом кулачков из корпуса и степенью сжатия пружин кулачков.