Способ обкатывания наружных винтовых поверхностей

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке на станках поверхностным пластическим деформированием наружных винтовых поверхностей. Сообщают обрабатываемой заготовке вращательное движение. Сообщают продольную и поперечную подачу устройству для обкатывания. Используют устройство для обкатывания, содержащее корпус с поперечным отверстием и двумя поперечными пазами, два рычага с осями поворота и с деформирующими роликами на конце каждого рычага, дополнительный деформирующий ролик и механизм статического и импульсного нагружения деформирующих роликов. Рычаги выполнены двуплечими угловыми. Оси поворота рычагов подпружинены и размещены в поперечных пазах корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Плечи двуплечих угловых рычагов соединены общей осью с дополнительным деформирующим роликом. Механизм статического и импульсного нагружения деформирующих роликов содержит боек и волновод. Общая ось установлена на свободном конце волновода. Механизм статического и импульсного нагружения деформирующих роликов закреплен с помощью стопорного винта в поперечном отверстии корпуса с возможностью поперечного перемещения при настройке. В результате повышается производительность обработки и обеспечивается высокая точность обработки. 4 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке поверхностным пластическим деформированием (ППД) наружных винтовых поверхностей.

Известен способ обкатывания винтов на станках, включающий сообщение заготовке вращательного движения, а устройству обкатывания движения продольной подачи, при этом используют устройство обкатывания, содержащее два диска с центральными отверстиями, один из которых имеет Г-образную державку для закрепления устройства на суппорте станка, а другой диск жестко прикреплен к торцу первого диска посредством распорных втулок и винтов, верхний и нижний рычаги, подвижно установленные один над другим, расположенные между дисками и шарнирно соединенные друг с другом посредством оси, установленной на одном конце упомянутых рычагов, два коромысла, одно из которых установлено жестко на одном рычаге, а другое - шарнирно на другом рычаге, деформирующие элементы в виде деформирующих роликов, свободно вращающиеся на своих осях, попарно смонтированные на двух указанных коромыслах и подвижно установленные между упомянутыми дисками, подшипник, установленный между дисками и смонтированный на оси, нагрузочную пружину и гидроударник, обеспечивающий импульсное воздействие на свободный конец верхнего рычага, нижний рычаг посередине оперт на наружное кольцо подшипника и на его свободном конце закреплены упомянутые гидроударник и нагрузочная пружина, при этом обеспечивают создание постоянно действующей статической нагрузки и импульсной нагрузки на деформирующие элементы [1, 2].

Недостатком способа и устройства, с помощью которого реализуется известный способ, является его усложненная конструкция, большие массогабаритные параметры, а следовательно, большая себестоимость изготовления, большие затраты вспомогательного времени на регулирование, наладку, установку, закрепление и снятие обрабатываемой заготовки, что снижает производительность обработки и надежность конструкции, ухудшает качество изготовления и точность процесса обработки.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) наружных винтовых поверхностей, обеспечение обработки обкатыванием винтовых поверхностей винтов с глубоким профилем и большим шагом, снижение массогабаритных параметров используемой оснастки, а также снижение себестоимости и вспомогательного времени на регулирование, наладку, установку, закрепление и снятие обрабатываемой заготовки, повышение производительности и улучшение качества изготовления, повышение надежности и точности обработки благодаря использованию устройства, позволяющее осуществить статико-импульсное обкатывание.

Поставленная задача решается предлагаемым способом обкатывания наружных винтовых поверхностей на станках, включающим сообщение обрабатываемой заготовке принудительного вращательного движения, а устройству, содержащему корпус с поперечным отверстием и двумя поперечными пазами, два рычага с осями поворота и с деформирующими роликами на конце каждого рычага, а также механизм статического и импульсного нагружения деформирующих роликов, содержащий боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и дополнительный деформирующий ролик, установленный с возможностью приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки с помощью бойка и волновода, - продольной и поперечной подачи, причем используют устройство, у которого рычаги выполнены двуплечими угловыми и оси поворота их размещены в поперечных пазах корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения и подпружинены, другие плечи двуплечих угловых рычагов соединены общей осью с дополнительным деформирующим роликом, при этом общая ось установлена на свободном конце волновода, а механизм статического и импульсного нагружения деформирующих роликов закреплен с помощью стопорного винта в поперечном отверстии корпуса с возможностью поперечного перемещения при настройке.

Сущность способа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема настройки и конструкция устройства, реализующего предлагаемый способ, для обкатывания наружных винтовых поверхностей на токарном станке в исходном положении; на фиг.2 - вид слева по А на фиг.1; на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - схема обработки и конструкция устройства для обкатывания наружных винтовых поверхностей на токарном станке в конечном рабочем положении.

Предлагаемый способ и реализующее его устройство предназначены для статико-импульсного обкатывания винтовых поверхностей с глубоким профилем и большим шагом. При обработке предлагаемым способом заготовке винта 1 сообщают вращательное движение V_З, а устройству с деформирующими элементами - поперечную S_ПОП и продольную S_ПР подачи (см. фиг.1, 4).

Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из корпуса 2, имеющего планку 3, с помощью которой устройство крепят в резцедержателе 3^Т (см. фиг.3) на суппорте токарного станка (не показан).

На корпусе 2 на осях 4 смонтированы двуплечие угловые рычаги 5, внутренние углы которых обращены навстречу один другому. На плечах рычагов 5, обращенных к зоне обработки, установлены на осях два деформирующих ролика 6, имеющих возможность свободного вращения.

Противоположные плечи рычагов 5, обращенные к основанию корпуса, соединены единой осью 7, на которой установлен с возможностью свободного вращения дополнительный деформирующий ролик 8, причем ось 7 расположена в плоскости симметрии деформирующих роликов 6.

Рабочий виток 8^В дополнительного деформирующего ролика 8 наклонен под углом α к плоскости, перпендикулярной к продольной оси заготовки, равный углу подъема резьбы обкатываемой заготовки винта. Аналогичную конструкцию имеют деформирующие ролики 6. Твердость материала обкатывающих роликов выше твердости материала обрабатываемой заготовки.

Таким образом, три деформирующих ролика равномерно размещены по окружности относительно обкатываемой заготовки винта с осевым смещением друг относительно друга, равным P/3, где P - шаг резьбы обкатываемой заготовки винта, мм.

Оси 4 рычагов 5 упруго с помощью пружин 9 растяжения установлены с возможностью перемещения в поперечных пазах корпуса 2, выполненных симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 7.

Механизм 10 статического Р_СТ и импульсного Р_ИМ нагружения деформирующих роликов закреплен с помощью стопорного винта 11 в поперечном отверстии корпуса 2 с возможностью поперечного перемещения при настройке. Механизм статического и импульсного нагружения деформирующих роликов содержит боек 12 и волновод 13, выполненные в виде стержней одинакового диаметра. В качестве механизма статического и импульсного нагружения деформирующих роликов применяется гидравлический генератор импульсов (не показан) [3, 4].

На свободном конце волновода 13 с помощью вилки 14 на оси 7 установлен дополнительный деформирующий ролик 8.

Устройство, реализующее предлагаемый способ и предназначенное для обкатывания наружных винтовых поверхностей, работает в двух режимах:

- в режиме статического нагружения деформирующих роликов;

- в режиме статико-импульсного обкатывания.

Для работы в режиме статического нагружения устройство устанавливается, например, на токарном станке и работает следующим образом.

Обрабатываемую заготовку 1 устанавливают в токарном патроне, а устройство планкой 3 - в резцедержателе токарного станка. В исходном положении устройства (см. фиг.1) оси 4 рычагов 5 под действием пружин 9 поджаты к наружным торцам поперечных (перпендикулярных направлению подачи S_ПР) пазов корпуса, при этом двуплечие угловые рычаги 5 находятся в разведенном состоянии. Пружины 9 выбираются жесткостью, достаточной для указанного разведения рычагов 5 в нерабочем положении устройства. При этом зазор между наружным диаметром рабочих витков деформирующих роликов превышает наружный диаметр обкатываемой резьбы заготовки на 0,3-0,5 мм.

Затем обрабатываемой заготовке сообщают вращательное движение V_З, а устройству - движение поперечной подачи S_ПОП с возможностью обеспечения определенного тарированного усилия Р_СТ, создаваемого гидроприводом механизма статического и импульсного нагружения (не показан) [3, 4], и одновременно - движение продольной подачи S_ПР, согласованное с частотой вращения заготовки, т.е. продольное перемещение суппорта с устройством устанавливают равным P мм - шагу обкатываемой резьбы на один оборот заготовки.

При движении инструмента в указанном направлении P_СТ его дополнительный деформирующий ролик 8 начинает взаимодействовать с обрабатываемой поверхностью заготовки, перемещаясь влево относительно корпуса. Это приводит к перемещению (сближению) осей 4 в поперечных пазах корпуса, растягиванию пружин 9 и повороту рычагов 5. При дальнейшем перемещении корпуса с подачей S_ПОП во взаимодействие с обрабатываемой поверхностью заготовки вступают деформирующие ролики 6, осуществляя обкатывание винтовой поверхности. По достижении заданного усилия обкатывания P_СТ движение поперечной подачи S_ПОП прекращают и обработку производят только с продольной подачей.

Поскольку твердость материала обрабатывающих роликов превышает твердость материала обрабатываемой резьбовой поверхности заготовки, материал ее в местах контакта пластически деформируется и упрочняется.

Для работы в режиме статико-импульсного обкатывания устройство также устанавливается, например, на токарном станке и работает следующим образом.

Статико-импульсное обкатывание осуществляется посредством статического нагружения и плюс ударное воздействие на деформирующие ролики. Импульсное воздействие осуществляется за счет удара бойка гидравлического генератора импульсов (не показан) по торцу волновода, на котором смонтирован дополнительный деформирующий ролик, связанный рычагами с деформирующими роликами 6. Энергия удара бойка передается дополнительному деформирующему ролику, который непосредственно установлен на волноводе. Поэтому при ударе дополнительный деформирующий ролик смещается в радиальном направлении к центральной оси заготовки. Деформирующие ролики 6 будут воспринимать энергию удара бойка частично, из-за того что часть ее будет поглощаться пружинами 9. При этом во время удара деформирующие ролики 6 не будут воздействовать на заготовку потому, что рычаги совершат поворот на некоторый угол относительно осей 4, удаляясь от заготовки, и только по окончании действия удара и возврата дополнительного деформирующего ролика и рычагов в исходное положение ролики 6 с некоторым сдвигом во времени будут оказывать деформирующее действие на заготовку.

После прекращения действия энергии удара на дополнительный деформирующий ролик он перемещается в поперечном направлении и возвращается под действием пружин 9 в первоначальное положение, при этом деформирующие ролики 6 совершат деформирующий удар с некоторым сдвигом во времени, возвращаясь в исходные положения.

Таким образом, за один удар бойка по волноводу деформирующие ролики совершат одно вибродвижение в радиальном направлении.

В результате удара бойка по торцу волновода в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать через три деформирующих ролика на обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов. Дойдя до обрабатываемой поверхности, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы деформации.

При действии на деформирующие ролики только статической нагрузки P_СТ внедрение их в обрабатываемую поверхность происходит на меньшую величину, и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет минимальные размеры, при импульсной нагрузки Р_ИМ внедрение деформирующих роликов в обрабатываемую поверхность происходит на большую величину, и след деформирующих роликов на обрабатываемой поверхности имеет максимальные размеры.

По окончании обкатывания отпускают стопорный винт 11 и устройство отводят в исходное положение.

Предлагаемый способ и устройство обеспечивает возможность упрочнения при полном уравновешивании усилий накатывания нежестких заготовок винтов при консольном их закреплении, а также тонкостенных заготовок, при этом повышается надежность и точность обработки.

Предлагаемый способ позволяет обкатывать наружные винтовые поверхности в двух режимах: в режиме постоянного статического нагружения деформирующих роликов за счет гидропривода, когда не работает гидравлический генератор импульсов и в режиме статико-импульсного обкатывания.

Предлагаемый способ статико-импульсного обкатывания расширяет технологические возможности ППД и позволяет осуществить оптимальный подбор параметров упрочняющей обработки винтовой поверхности.

Рычаги 5 имеют возможность качаться относительно своих осей 4 и позволяют каждому деформирующему ролику постоянно находиться в контакте с обрабатываемой винтовой поверхностью, а также иметь стабильную распределенную нагрузку на каждый из роликов, независимо от их местоположения на винтовой поверхности.

Скорость вращения заготовки V_З задают в зависимости от требуемой производительности, конструктивных особенностей заготовки, оборудования. Обычно скорость составляет 3…12 м/мин.

Достоинствами предлагаемого способа являются: уменьшение погрешности предшествующей обработки; многоэлементность устройства позволяет осуществить многопроходность обработки, за счет чего достигается более высокое качество обработки; позволяет разгрузить узлы станка от одностороннего приложения усилия и обрабатывать нежесткие (нежесткими считаются детали типа валов с соотношением длины к диаметру более десяти, [5]) винты; образование определенной макро- и микрогеометрической формы обработанной поверхности, уменьшение параметра шероховатости - сглаживание поверхности, изменение структуры материала за счет поверхностного наклепа и создание определенного напряженного состояния - все это благоприятно действует на износостойкость.

Периодическую импульсную нагрузку Р_ИМ осуществляют посредством удара бойка гидравлического генератора импульсов (не показан) по торцу волновода, на котором смонтирован дополнительный деформирующий ролик, связанный рычагами с деформирующими роликами 6. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы деформации, которая интенсифицирует процесс поверхностного пластического деформирования и упрочняет поверхностный слой обрабатываемой винтовой поверхности. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструмента.

Пример. При промышленных испытаниях заготовки - винт из стали 40Х с резьбой упорной S80×10-7h ГОСТ 10177-82, имеющей предварительно нарезанный с помощью вихревой головки профиль резьбы, устанавливали в центрах на станке 16К20, а устройство для обкатывания - на суппорте. Заготовки сообщали вращательное движение V_З=12 м/мин, а устройству - продольную подачу S_ПР=10 мм/об.

В механизме статического и импульсного нагружения деформирующих роликов использовался гидравлический генератор импульсов [3, 4] с энергией ударов А=250 Дж, максимальной частотой f=960 мин^-1 и КПД=0,74. Значения технологических факторов (частоты ударов, радиусы деформирующих роликов, величина частоты вращения заготовки) 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 и ударно-импульсной нагрузки составляла P_СТ≥25…40 кН; P_ИМ=255…400 кН. Глубина упрочненного статико-импульсной обработкой слоя в 3…4 раза выше, чем при традиционном упрочнении. Упрочненный слой при традиционной статической обработке формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. Предлагаемым способом 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 в предлагаемой статико-импульсной обработке 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 1,2…1,4 раза больше, чем глубина наклепанного слоя, что согласуется с теорией поверхностного пластического деформирования.

Достигаемая в процессе обработки предлагаемым способом предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 4 раза.

Испытаниями установлено, что производительность процесса повышается в 1,8…2 раза по сравнению с обкатыванием резьбы традиционным способом, например одним роликом, размеры резьбы стабильны и соответствуют требуемому квалитету точности, стойкость инструмента повышается в 2,5…3 раза, высота шероховатости резьбовой поверхности уменьшается на 1…2 класса.

Себестоимость изготовления оснастки снизилась в два раза.

Импульсные нагрузки, создаваемые предлагаемым способом, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы инструмента, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Импульсные нагрузки способствуют лучшему проникновению смазки в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях импульсных нагрузок резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия смазки вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Для реализации предлагаемого способа используется устройство не сложное по конструкции и надежное в эксплуатации, а способ обкатывания винтовых поверхностей устройством отличается простотой. Получаемые на поверхности упрочняемой заготовки структуры слоев обладают повышенной твердостью, а соответственно, износостойкостью и сопротивлением усталостному разрушению.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить производительность обработки в 1,5…2,0 раза, сократить вспомогательное время на регулирование, наладку, установку, закрепление и снятие обрабатываемой заготовки и обеспечить высокую точность.

Источники информации

1. Патент РФ 2337806. С1. МПК B24B 39/04. Способ статико-импульсного обкатывания винтов. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Сотников В.И., Самойлов Н.Н., Жирков А.А., Селеменев М.Ф. Заявка №2007105314/02. 12.02.07; 10.11.2008. Бюл. №31.

2. Патент РФ 2337807. С1. МПК B24B 39/04. Устройство для статико-импульсного обкатывания винтов. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Самойлов Н.Н., Иножарский В.В., Романенко М.В., Селеменев М.Ф. Заявка №2007105382/02. 12.02.07; 10.11.2008. Бюл. №31 - 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.

5. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. T.1 / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.224…227.

Способ обкатывания наружных винтовых поверхностей на станках, включающий сообщение обрабатываемой заготовке принудительного вращательного движения и продольной и поперечной подачи устройству для обкатывания, содержащему корпус с поперечным отверстием и двумя поперечными пазами, два рычага с осями поворота и с деформирующими роликами на конце каждого рычага, а также механизм статического и импульсного нагружения деформирующих роликов, включающий боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и дополнительный деформирующий ролик, установленный с возможностью приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки с помощью бойка и волновода, отличающийся тем, что используют устройство для обкатывания, рычаги которого выполняют двуплечими угловыми, оси поворота размещают в поперечных пазах корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения и подпружинивают, при этом плечи двуплечих угловых рычагов соединяют общей осью с дополнительным деформирующим роликом, а общую ось устанавливают на свободном конце волновода, причем механизм статического и импульсного нагружения деформирующих роликов закрепляют с помощью стопорного винта в поперечном отверстии корпуса с возможностью поперечного перемещения при настройке.