Устройство для статико-импульсного упрочнения

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к устройствам для обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием валов и заготовок с винтовыми и сложнопрофильными поверхностями. Устройство содержит корпус с центральным отверстием, деформирующие элементы и ротор в виде полого вала. Корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован упомянутый ротор. С торцов ротора на поверхности его отверстия выполнены резьбовые части. Деформирующие элементы выполнены в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной с возможностью охватывания заготовки, и расположены в отверстии ротора на упругой втулке. Упругая втулка закреплена с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части поверхности отверстия ротора с возможностью регулирования и установки жесткости упругой втулки. В результате расширяются технологические возможности, увеличивается производительность и улучшается качество обработанной поверхности. 4 ил.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к изготовлению оснастки для обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием (ППД), и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрических, винтовых и сложнопрофильных поверхностей валов, например винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей со скругленно-синусоидальным профилем, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей.

Известен способ и устройство для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования валов или винтов винтовых насосов, содержащее боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент для обработки с натягом, установленный на свободном конце волновода с возможностью приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки с помощью бойка и волновода, при этом деформирующий инструмент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, свернутой в кольцо, внутренний диаметр которого меньше диаметра заготовки на величину двойного натяга для обеспечения статической нагрузки, при этом свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина установлена с возможностью охватывания заготовки, кроме того, свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина содержит натяжное устройство для регулирования статической нагрузки [1, 2].

Недостатками известного способа и устройства являются узкие технологические возможности и конструктивно сложный привод деформирующего устройства, оснащенного механизмами статического и импульсного нагружения инструмента, в виде гидравлического генератора импульсов, который отличается низким КПД, большой энергоемкостью. Все это повышает себестоимость обработки, снижает производительность, ухудшает качество обрабатывающей поверхности, требует сложной и длительной настройки.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей ППД упрочнения сложнопрофильных поверхностей путем использования охватывающего инструмента с деформирующими элементами в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной и расположенной на внутренней поверхности полого вала-ротора электродвигателя и позволяющей улучшить качество обрабатываемой поверхности, повысить КПД и производительность и снизить себестоимость и энергоемкость процесса обработки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования упрочнением валов и заготовок с винтовыми и сложнопрофильными поверхностями, содержащего корпус с центральным отверстием и деформирующие элементы, при этом устройство снабжено ротором в виде полого вала, корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор, с торцов которого на поверхности отверстия выполнены резьбовые части, деформирующие элементы в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной с возможностью охватывания заготовки, и расположены в отверстии ротора на упругой втулке, при этом упругая втулка закреплена с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части поверхности отверстия ротора с возможностью регулирования и установки жесткости упругой втулки.

Особенности конструкции устройства поясняются чертежами.

На фиг.1 показана схема реализации предлагаемого устройства для упрочнения винтовой сложнопрофильной поверхности, продольный разрез; на фиг.2 - вид по А на фиг.1, вид с торца; на фиг.3 - общий вид сбоку на фиг.1; на фиг.4 - разрез по Б-Б на фиг.1.

Предлагаемое устройство предназначено для пластического деформирования упрочнением валов и заготовок с винтовыми и сложнопрофильными поверхностями (например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей со скругленно-синусоидальным профилем, цилиндрических валов, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей), работа его заключается в том, что обрабатываемой заготовке и деформирующему инструменту сообщают вращательные движения VЗ и VИ соответственно, при этом устройству с деформирующим инструментом сообщают движение продольной подачи SПР, а создание натяга обеспечивается поперечной подачей SПОП. Устройство имеет деформирующие элементы, которые наносят по поверхности заготовки многочисленные удары, пластически деформируя и упрочняя наружную поверхность.

Для поверхностного импульсно-ударного деформирования обрабатываемой поверхности заготовки, например винта винтового насоса 1 (см. фиг.1), предварительно обработанной, например, точением, ее закрепляют в приспособлении, например в трехкулачковом самоцентрирующем патроне с поджатием центром задней бабки (не показаны), и сообщают вращательное движение VЗ вокруг собственной центральной оси, а импульсно-ударному деформирующему инструменту 2 устройства - продольную подачу SПР и возможность движения SПОП в поперечном направлении для создания натяга N, необходимого для упрочнения.

Устройство состоит из корпуса 3, выполненного в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, взятого, например, по ГОСТ 19523-74, с полюсами 4 и выполненного из серого чугуна. Внутри корпуса-статора 3 на подшипниках качения 5 смонтирован ротор 6 в виде полого стального вала.

В отверстии ротора 6 на упругой втулке 7 расположены деформирующие элементы 8 в виде витков винтовой цилиндрической пружины 2, винтообразно скрученной и охватывающей заготовку 1. Упругая втулка 7 изготовлена, например, из полиуретана СКУ-7Л, резины, поролона и др. упругих материалов. Если втулка изготовлена из резины, то при вулканизации резина прочно соединяется с металлическими витками винтовой цилиндрической винтообразно скрученной пружины 2. Пружина 2 своими витками посажена во втулку 7 таким образом, что три четверти витка с наружным диаметром d расположены во втулке 7 и только одна четвертая часть d витка свободно находится в отверстии втулки 7 и выступает над внутренней поверхностью. Упругая втулка 7 посажена в отверстии ротора 6 по тугой посадке.

С торцов ротора 6 упругая втулка 7 закреплена с помощью гаек 9, ввернутых с каждого торца в резьбовые части отверстия ротора 6. Кроме того, гайки 9 служат не только для крепления и предотвращения продольного смещения упругой втулки в отверстии ротора, но и для регулирования и установки необходимой жесткости упругой втулки 7, влияющей и поддерживающей натяг N установки деформирующих элементов.

Усилие Р упрочнения, воздействующее через деформирующие элементы - витки пружины - на обрабатываемую поверхность заготовки 1, задается поперечной подачей SПОП. Предлагаемая конструкция устройства и крепления деформирующего инструмента 2 в отверстии вала-ротора 6 электродвигателя, установленного, например, на поперечном суппорте токарного станка (не показан), позволяет деформирующим элементам, выполненным в виде витков пружины, прогибаться и совершать поперечные движения АПОП, вызванные эксцентричным смещением и расположением некоторых участков обрабатываемой винтовой поверхности.

Так, например, поперечные смещения АПОП деформирующих элементов 8 при обработке винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500 будут равны эксцентриситету e1=1,65 мм, см. фиг.1.

Переход контакта инструмента 2 с заготовкой 1 с одного деформирующего элемента 8 на другой деформирующий элемент вызывает импульсно-ударную пластическую деформацию поверхностного слоя заготовки.

Передача вращательного движения VИ валу ротора 6 с деформирующими элементами 8 осуществляется с помощью электрических сил, наводимых в корпусе-статоре электродвигателя, и является минимальной кинематической связью по протяженности и сложности и исключает использование промежуточных ременных, зубчатых и других передач и редукторов, поэтому устройство имеет высокий КПД.

Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности, полученные с помощью предлагаемого устройства, зависят от силы удара и числа ударов, приходящихся на 1 мм2 поверхности. Эти параметры, в свою очередь, зависят от окружной скорости вала ротора с деформирующими элементами 8, натяга, размера деформирующих элементов, их числа, частоты вращения, величины продольной подачи устройства и числа проходов.

Несмотря на то что скорость вращения инструмента VИ не регулируется, так как используется асинхронный электродвигатель, устройство позволяет плавно регулировать результирующую скорость упрочнения. Известно, что при вращении заготовки со скоростью VЗ и инструмента - VИ в разных направлениях, когда инструмент охватывает заготовку (см. фиг.1-2, 4), результирующая скорость обработки равна сумме скоростей, а при вращении в одном направлении - результирующая скорость обработки равна разности скоростей VЗ и VИ. Поэтому в последнем случае при регулировании скорости заготовки VЗ плавно регулируется результирующая скорость обработки, при постоянной скорости инструмента VИ. Таким образом, чтобы плавно регулировать результирующую скорость упрочнения, необходимо включить скорости заготовки VЗ и инструмента VИ в одном направлении.

Режимы импульсно-ударного деформирования для предлагаемого устройства, оснащенного, например, пружиной из термообработанной стали марки 65Г, которая изготовлена из проволоки диаметром 2 мм, диаметр витка пружины - d=35 мм, число витков - 48 при шаге 10 мм, винтообразно скручена и три раза охватывает стальную заготовку (см. фиг.1), следующие: окружная скорость вала ротора - VИ≈2,0…4,0 м/с, окружная скорость заготовки - VЗ≈0,05…0,5 м/с, число проходов - 2…3, натяг - 0,5…1,5 мм.

В результате импульсно-ударной пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя предлагаемым устройством параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,08…0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8…3,2 мкм. Твердость обработанной поверхности увеличивается на 25…75% при глубине наклепанного слоя 0,25…2,5 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 350…750 МПа.

Предварительная обработка заготовки: шлифование до значения параметра шероховатости Ra=0,4…1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью Ra=3,2 мкм.

Устройство для импульсно-ударного деформирования позволяет создать на обрабатываемой сложнопрофильной, в том числе винтовой, поверхности регулярный микрорельеф, способный удерживать смазывающие материалы и продлевать ресурс работы деталей при эксплуатации.

Устройство для импульсно-ударного деформирования применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58…64.

При промышленных испытаниях устройства обрабатывали установленную в патроне с электромеханическим приводом токарного станка мод. 16К20Ф3 заготовку винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500, который имел следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина винтовой части - 1208 мм, диаметр поперечного сечения винта - D1=27-0,05 мм, эксцентриситет - е1=1,65 мм, шаг t=28±0,01 мм, шероховатость Ra=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 40Х, твердость НВ 270-280, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась с использованием разработанного устройства, на базе электродвигателя IM5010, модель 4АВ132В6, имеющего частоту вращения вала ротора n=750 мин-1; наружный диаметр вала ротора - 157,3 мм; диаметр отверстия, расточенного под инструмент и заготовку, с 54 мм до 115 мм; длина корпуса-статора - 253 мм; наружный диаметр корпуса-статора - 261 мм.

Импульсно-ударное ППД вели на следующих режимах: окружная скорость инструмента - VИ≈2,5 м/с; окружная скорость заготовки - VЗ≈0,25 м/с, число проходов - 3, натяг - 0,5 мм, продольная SПР подача 1,5…2,0 мм/об, усилие упрочнения - 170…175 Н; диаметр винта изменился после обработки на 0,02 мм (0,01 мм на сторону); глубина упрочненного слоя находилась в пределах 0,15…0,20 мм; повышение твердости на 25…30%; при обработке деформирующие элементы смазывали смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность заготовки - керосином. Значения технологических факторов (частота ударов, 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.

Исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,32 мкм; деформирующий инструмент - деформирующие витки из стали 65Г, твердостью HRC 63…65, внутренний радиус по вершинам деформирующих элементов 30,57 мм.

Глубина упрочненного импульсно-ударной 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 импульсно-ударного воздействия на очаг деформации импульса энергии.

Требуемая шероховатость и точность винтовой поверхности были достигнуты через Тм=3,6 мин (против Тмбаз=10,5 мин по базовому варианту при традиционном обкатывании винтов на токарном станке 1К62 на ОАО "Ливгидромаш").

Для обеспечения необходимого качества и размерной точности обработки потребовалось основного времени в 3 раза меньше, чем при обкатывании традиционным обкатником. При этом глубина и микротвердость упрочненного слоя (белой зоны) составляли соответственно 0,15…0,20 мм и 8…9 ГПа с постепенным понижением микротвердости по глубине до исходного состояния - 2,0…2,5 ГПа.

Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68. Накопленная погрешность между любыми несоседними шагами была не более 0,1 мм, просвет при контроле лекальной линейкой образующих по диаметру выступов - не более 0,07 мм, что допустимо по ТУ.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя импульсно-ударной 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 Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Импульсно-ударное деформирование в процессе благоприятно сказывается на условиях работы устройства. Оно приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, облегчает формирование упрочняемой поверхности.

Импульсно-ударное деформирование способствует лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении импульсной нагрузки деформирующие элементы и деформирующая поверхность периодически «отдыхают», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях импульсно-ударного деформирования 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 импульсно-ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности. При этом конструктивно простой привод снижает себестоимость обработки, увеличивает производительность, улучшает качество обрабатываемой поверхности, не требует сложной и длительной настройки.

Источники информации

1. Патент РФ 2324584. МПК В24В 39/04. Способ статико-импульсного поверхностного пластического деформирования. Степанов Ю.С, Киричек А.В., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С, Самойлов Н.Н., Василенко Ю.В., Подзолков М.Г., Селеменев К.Ф. Заявка №2006132948/02, 13.09.06; 20.05.08. Бюл. №14.

2. Патент РФ 2325265. МПК В24В 39/04. МПК В24В 39/00. Устройство для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования. Степанов Ю.С, Киричек А.В., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Самойлов Н.Н., Василенко Ю.В., Подзолков М.Г., Селеменев К.Ф. Заявка №2006132949/02; 13.09.06; 27.05.08. Бюл. №15.

Устройство для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования упрочнением валов и заготовок с винтовыми и сложнопрофильными поверхностями, содержащее корпус с центральным отверстием и деформирующие элементы, отличающееся тем, что оно снабжено ротором в виде полого вала, корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор, с торцов которого на поверхности отверстия выполнены резьбовые части, деформирующие элементы выполнены в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной с возможностью охватывания заготовки, и расположены в отверстии ротора на упругой втулке, при этом упругая втулка закреплена с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части поверхности отверстия ротора с возможностью регулирования и установки жесткости упругой втулки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием. .

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к отделочно-упрочняющей обработке заготовок. .

Изобретение относится к механической обработке, а именно к устройствам тестирования обкаточных инструментов станка, предназначенного для обкатывания по меньшей мере одной цилиндрической шейки коленчатого вала и содержащего по меньшей мере один ролик, предназначенный для качения в обкатываемой зоне цилиндрической шейки, а также прижимной диск, выполненный с возможностью надавливания на указанный ролик, и два опорных диска, поддерживающих цилиндрическую шейку противоположно ролику.

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к отделочно-упрочняющей обработке заготовок типа валов и винтов. .

Изобретение относится к области обработки зубчатых колес поверхностным пластическим деформированием. .

Изобретение относится к области обработки зубчатых колес поверхностным пластическим деформированием. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для чистовой обработки и упрочнения заготовок. .

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам импульсно-ударного поверхностного пластического деформирования. .

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием. .

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием. .

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к устройствам для обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием винтовых, цилиндрических и сложнопрофильных поверхностей

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием валов с винтовыми, цилиндрическими и сложнопрофильными поверхностями

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к формообразованию наружной трапецеидальной резьбы пластическим деформированием

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к накатыванию трапецеидальной резьбы роликами

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке на станках поверхностным пластическим деформированием наружных винтовых поверхностей

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к накатыванию резьбы роликами

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке на станках поверхностным пластическим деформированием наружных винтовых поверхностей

Изобретение относится к накатыванию предварительно нарезанной резьбы

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к способам формообразования резьбы пластическим деформированием

Изобретение относится к станкостроению, в частности к устройствам компенсации износа направляющих металлорежущих станков методом поверхностно-пластического деформирования
Наверх