Устройство для статико-импульсного упрочнения валов

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. Устройство содержит корпус в виде диска с центральным отверстием для расположения обрабатываемой заготовки и деформирующие элементы, установленные в корпусе в радиально расположенных отверстиях. Деформирующие элементы выполнены в виде ступенчатых стержней с надетыми на них винтовыми цилиндрическими пружинами сжатия. На наружной цилиндрической поверхности диска и на внутренней поверхности его отверстия закреплены кольца с отверстиями для расположения в последних наконечников деформирующих элементов. Соосно корпусу с возможностью вращения относительно продольной оси размещено кулачковое кольцо, охватывающее корпус, установленное на подшипнике на торце корпуса, и имеющее свой индивидуальный привод вращения. Внутренняя поверхность кулачкового кольца выполнена с впадинами и ступенчатыми выступами. В результате повышается качество обработки и КПД устройства, обеспечивается большая глубина упрочненного слоя и высокая степень упрочнения обрабатываемой поверхности, устройство отличается компактностью и малой энергоемкостью. 10 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) со статико-импульсным нагруженном 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 устройства имеющее кулачки, набегающие на деформирующие элементы.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного упрочнения цилиндрических поверхностей валов, состоящего из корпуса в виде диска с центральным отверстием для расположения в нем обрабатываемой заготовки, и установленных в корпусе деформирующих элементов, при этом в корпусе выполнены радиально расположенные отверстия, в которых установлены деформирующие элементы в виде ступенчатых стержней с надетыми на них винтовыми цилиндрическими пружинами сжатия, стремящиеся развести деформирующие элементы от центра к периферии, при этом на наружной цилиндрической поверхности и внутренней поверхности отверстия корпуса закреплены кольца, в которых имеются отверстия для расположения в них наконечников деформирующих элементов, причем кольца ограничивают радиальные перемещения деформирующих элементов, кроме того, соосно корпусу с возможностью вращения относительно продольной оси коаксиально размещено кулачковое кольцо, которое охватывает корпус, установлено на подшипнике на торце корпуса и имеет свой индивидуальный привод вращения, при этом внутренняя поверхность кулачкового кольца представляет собой впадины и ступенчатые выступы, набегая которыми на наконечники деформирующих элементов осуществляют статическое и импульсное воздействия на обрабатываемую поверхность.

Особенности конструкции и работы предлагаемого устройства поясняются чертежами.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез и схема упрочнения цилиндрической поверхности заготовки вала; на фиг.2 - общий вид по А на фиг.1, вид с торца устройства; на фиг.3 - общий вид по Б на фиг.1, вид с другого торца устройства; на фиг.4 - общий вид устройства; на фиг.5 - вариант конструкции кулачкового кольца; на фиг.6 - вариант схемы наладки для упрочнения валов меньшего диаметра, чем отверстие в корпусе; на фиг.7 - схема положения деформирующего элемента при загрузке, выгрузке и холостом ходе; на фиг.8 - схема положения деформирующего элемента при работе в статическом режиме; на фиг.9 - схема положения деформирующего элемента при работе в статическом режиме с максимальной статической нагрузкой; на фиг.10 - схема положения деформирующего элемента при работе устройства в импульсном режиме.

Предлагаемое устройство предназначено для статико-импульсного упрочнения цилиндрических поверхностей валов поверхностным пластическим деформированием (ППД). Устройство устанавливается, например, на суппорте токарного станка (не показан), заготовке вала 1, закрепленной в патроне 2 и поджатой задним центром, сообщается вращательное движение V₃ относительно собственной продольной оси, устройству - продольная подача S_ПР, а деформирующим элементам 3 - импульсная нагрузка Р_ИМ в поперечном направлении S_П.

Предлагаемое устройство состоит из корпуса 4 в виде диска с центральным отверстием для расположения в нем обрабатываемой заготовки 1 и установленных в корпусе деформирующих элементов 3. С этой целью в корпусе 4 выполнены радиально расположенные отверстия 5, в которых установлены деформирующие элементы 3 в виде ступенчатых стержней.

На стержни деформирующих элементов 3 надеты винтовые цилиндрические пружины сжатия 6, стремящиеся развести деформирующие элементы от центра к периферии.

На наружной цилиндрической поверхности корпуса 4 и на внутренней поверхности отверстия корпуса закреплены кольца 7 и 8, соответственно, в которых имеются отверстия для расположения в них наконечников деформирующих элементов 3. Кольца 7 и 8 ограничивают радиальные перемещения деформирующих элементов 3.

Соосно корпусу 4 с возможностью вращения относительно продольной оси коаксиально размещено кулачковое кольцо 9, которое охватывает корпус. Кулачковое кольцо 9 установлено на подшипнике 10 на торце корпуса 4 с помощью шкива 11 и фланца 12. Неподвижный фланец 12, который несет на себе неподвижное внутреннее кольцо подшипника 10, жестко закреплен на торце корпуса 4 болтами 13. Наружным кольцом подшипник 10 смонтирован в отверстии шкива 11, последний жестко закреплен на торце кулачкового кольца 9 болтами 14. Шкив 11 является ведомым в клиноременной передаче от индивидуального электродвигателя (не показан) привода вращения кулачкового кольца 9.

Внутренняя поверхность кулачкового кольца 9 представляет собой впадины 15 и ступенчатые выступы 16, набегая которыми на наконечники деформирующих элементов 3, осуществляют статическое Р_СТ и импульсное Р_ИМ воздействия на обрабатываемую поверхность.

Деформирующие элементы 3 одним торцом контактируют с выступами 16, а другим - с обрабатывающей поверхностью заготовки вала 1. Для обеспечения статической нагрузки Р_СТ, оказываемой деформирующими элементами 3 на обрабатываемую поверхность, кулачковое кольцо 9 устанавливается так, что деформирующие элементы 3 контактируют с выступами, расположенными на D_СТ, при этом кулачковое кольцо 9 неподвижно. Если деформирующие элементы 3 контактируют с выступами кольца 9, расположенными на D_min, при этом кулачковое кольцо 9 неподвижно, то устройство развивает максимальную статическую нагрузку . Эти положения деформирующих элементов при неподвижном кулачковом кольце обеспечивают статический режим работы устройства.

Импульсная нагрузка Р_ИМ осуществляется при вращении кулачкового кольца 9 за счет воздействия выступов 16 на деформирующие элементы 3 с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения кулачкового кольца V_ИК, а величина импульсной нагрузки Р_ИМ обеспечивается высотой h выступа 16 относительно впадины 15. Вращение кулачкового кольца обеспечивает импульсную нагрузку и создает импульсный режим работы устройства.

При расположении наконечников деформирующих элементов 3 против впадин 15 кулачкового кольца 9 деформирующие элементы максимально разведены от центра и не контактируют с обрабатываемой заготовкой - это режим загрузки, выгрузки и холостого хода.

Предлагаемое устройство устанавливается, например, на суппорте токарного станка (не показаны) и крепится к нему с помощью кронштейна 17, который жестко соединен с корпусом 4.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Заготовка вала крепится, например, в токарном патроне токарного станка (не показан). Устройство устанавливается на суппорте станка (не показан). В центральное отверстие устройства вводится заготовка и поджимается центром задней бабки. При этом деформирующие элементы максимально разведены от центральной продольной оси, так как их наконечники расположены во впадинах кулачкового кольца. Деформирующие элементы не касаются поверхности заготовки.

Включают вращение заготовки V₃. Для работы в статическом режиме вручную поворачивают кулачковое кольцо 9 на некоторый угол пока наконечники деформирующих элементов не окажутся на выступах, расположенных на D_СТ или на выступах, расположенных на D_min. Затем включают продольную подачу S_ПР и производят упрочнение с постоянной статической нагрузкой P_CT или . При этом привод вращения кулачкового кольца не включен. В результате этого действия осуществляется статическое пластическое деформирование поверхности заготовки на величину α_сm или , соответственно.

Импульсный режим ППД, характеризуемый наличием ударной нагрузки Р_ИМ, осуществляется при вращении кулачкового кольца за счет воздействия выступов на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения кулачкового кольца V_ИК, а величина импульсной нагрузки Р_ИМ обеспечивается высотой выступа относительно впадины. Выступы кольца набегают на наконечники деформирующих элементов и ударяют с силой Р_ИМ, вдавливая их в упрочняемую поверхность на величину α_им.

Величина силы Р_ИМ зависит от формы и величины выступов h, от жесткости пружин, охватывающих деформирующие элементы, а частота импульсов - от скорости вращения кольца V_ИК. Пружины, охватывающие деформирующие элементы, дополнительно выполняют функцию демпфирующих элементов, снижающих вибрационные нагрузки на всю конструкцию предлагаемого устройства и на станок.

На кинетическую энергию удара оказывает влияние угловой скорости движения кулачкового кольца и сила статического поджатия деформирующих элементов 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 определяется размерами площадки выступов кольца, с которой контактируют деформирующие элементы.

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 выступов, что расширяет технологические возможности и упрощает конструкцию устройства.

Предлагаемое устройство позволяет вести обработку валов, размеры которых меньше внутреннего диаметра, на котором расположены рабочие наконечники деформирующих элементов (см. фиг.6). В этой схеме настройки не все деформирующие элементы одновременно участвуют в работе. Эксцентричное смещение центральной продольной оси устройства относительно оси заготовки делает устройство универсальным, что позволяет расширить номенклатуру обработки валов, однако, одностороннее воздействие ударной нагрузки ведет к прогибу обрабатываемой заготовки и появлению вибраций, в результате чего может привести к снижению качества обработки.

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 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.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки вала на токарном станке с использованием предлагаемого устройства. Значения технологических факторов (частоты ударов, величины продольной и поперечной подач и др.) 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.

Величины сил статической импульсной нагрузки деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность составляли Р_сm≥25…40 кН; Р_им=255…400 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость «сырых» образцов 270…280 HV. Глубина упрочненного статико-импульсной 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 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 ППД.

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

Микровибрации в процессе, реализуемом предлагаемым устройством, благоприятно сказываются на условиях работы деформирующих элементов. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей деформирующих элементов и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность элементов 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 деформирующих элементов и заготовки.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности.

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 [2-4]), 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.

Источники информации

1. А.с. СССР 366062, МПК B24B 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 B24B 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.

Устройство для статико-импульсного упрочнения цилиндрических поверхностей валов, содержащее корпус в виде диска с центральным отверстием для расположения обрабатываемой заготовки и деформирующие элементы, установленные в корпусе, отличающееся тем, что в корпусе выполнены радиально расположенные отверстия, в которых установлены деформирующие элементы, выполненные в виде ступенчатых стержней с надетыми на них винтовыми цилиндрическими пружинами сжатия, обеспечивающими возможность разведения деформирующих элементов от центра к периферии, на наружной цилиндрической поверхности диска и на внутренней поверхности его отверстия закреплены кольца с отверстиями для расположения в последних наконечников деформирующих элементов, обеспечивающие ограничение радиальных перемещений деформирующих элементов, соосно корпусу с возможностью вращения относительно продольной оси размещено кулачковое кольцо, охватывающее корпус, установленное на подшипнике на торце корпуса и имеющее свой индивидуальный привод вращения, при этом внутренняя поверхность кулачкового кольца выполнена с впадинами и ступенчатыми выступами, обеспечивающими возможность набегания на наконечники деформирующих элементов с осуществлением статического и импульсного воздействия на обрабатываемую поверхность.