Способ правки длинномерных деталей

Изобретение относится к холодной обработке металлов давлением, а точнее к способам и устройствам для правки и стабилизации размеров длинномерных цилиндрических деталей. К заготовке прикладывают радиальную нагрузку, концы детали закрепляют шарнирно, радиальную нагрузку создают роликом, который располагают в месте наибольшего изгиба оси детали, а детали придают вращение вокруг оси. Повышается качество стабилизации геометрических параметров за счет устранения остаточных напряжений. 1ил.

 

Изобретение относится к холодной обработке металлов давлением, а именно к способам и устройствам для правки и стабилизации размеров длинномерных цилиндрических деталей типа валов, осей, штанг, штоков и т.д.

Известны способы правки длинномерных деталей типа прутков, валов, листов путем знакопеременного поперечного изгиба и наложения на деталь продольной нагрузки, создающей в материале напряжение, равное пределу текучести [1-5].

Недостатками данных способов является то, что после снятия продольной нагрузки в детали возникают остаточные напряжения, которые со временем изменяют ее форму и размеры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ стабилизации размеров длинномерных цилиндрических деталей, при котором к детали прикладывают усилие радиального обжатия [6]. Усилие радиального обжатия является статическим, его прикладывают до выпрямления в нижних опорных и верхних деформирующих элементах, расположенных в шахматном порядке. Помимо радиального усилия обжатия к детали дополнительно прикладывают осевое сжимающее усилие до напряжения, соответствующего пределу текучести материала заготовки, а также осуществляют ее скручивание относительно продольной оси или производят ее вращение относительно этой оси.

Недостатком известного способа является низкое качество стабилизации размеров, так как при выпрямлении детали со стороны выпуклости образуются упругие напряжения сжатия, а со стороны вогнутости - упругие напряжения растяжения. При воздействии осевой нагрузки возникающие дополнительные напряжения сжатия суммируются с упругими напряжениями сжатия со стороны выпуклости детали, в этой ее части осуществляется пластическая деформация и возникают остаточные напряжения, равные пределу текучести материала. Напряжения растяжения со стороны выпуклости детали, суммируясь с напряжениями сжатия от осевой нагрузки, создают напряжение, которое меньше предела текучести. В этой части заготовки осуществляется упругая деформация. Таким образом, действие осевой нагрузки не приводит к выравниванию напряжений, а следовательно, после снятия внешней нагрузки деталь стабилизируется только частично. Но в результате пластической деформации в ней остаются остаточные напряжения, которые в дальнейшем приводят к ее дополнительной упругой деформации. Вращение выпрямленной детали между роликами не приводит к ее циклической деформации, а следовательно, не оказывает влияния на стабилизацию размеров.

Задачей изобретения является повышение качества процесса стабилизации геометрических параметров детали.

Техническим результатом является устранение остаточных напряжений в детали.

Поставленная задача решается тем, что в способе правки длинномерных цилиндрических деталей, включающем приложение радиальной нагрузки к заготовке длинномерной цилиндрической детали с обеспечением прямолинейности ее оси, согласно заявляемому техническому решению концы детали закрепляют шарнирно, радиальную нагрузку создают роликом, который располагают в месте наибольшего изгиба оси детали величиной , где [σ_T] - предел текучести материала детали; W_x - момент сопротивления изгибу; J_x - осевой момент инерции поперечного сечения детали; Е - модуль упругости материала детали; l - длина обрабатываемой поверхности; а - расстояние от точки воздействия роликом на поверхность детали до одного из ее концов; k=0,34-0,39 - коэффициент допустимой погрешности деформации, при этом длинномерную цилиндрическую деталь вращают вокруг оси до выравнивания напряжений по сечению детали вдоль ее длины.

Так как концы детали закрепляют шарнирно, а ролик располагают в месте наибольшего изгиба оси детали, то наибольший изгибающий момент возникает в месте воздействия на деталь роликом, что обеспечивает наиболее эффективную обработку. Так как деформация детали роликом обеспечивает возникновение напряжений, равных пределу текучести по всему сечению детали, а деталь вращают, то напряжения в детали в течение нескольких ее оборотов выравниваются по всему сечению, осуществляется пластическая деформация и за счет упрочнения материала напряжения в детали уменьшаются и становятся близкими к пределу упругости. Дальнейшее вращение детали в течение некоторого времени, определяемого экспериментально, приводит к циклической упругой деформации, что обеспечивает стабилизацию оставшихся напряжений. После снятия нагрузки деталь упруго деформируется, а ее ось становится прямолинейной.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема обработки.

Цилиндрическую деталь 1 с наружным диаметром D и с внутренним диаметром d, имеющую максимальный изгиб оси в сечении, находящемся на расстоянии а от левого торца, устанавливают в центрах 2 и поджимают роликом 3 так, чтобы ее ось получила деформацию на величину

где [σ_T] - предел текучести материала детали; W_x - момент сопротивления изгибу; J_x - осевой момент инерции поперечного сечения детали; Е - модуль упругости материала детали; l - длина обрабатываемой поверхности; а - расстояние от точки воздействия роликом на поверхность детали до одного из ее концов; k - коэффициент допустимой погрешности деформации: k=0,34-0,39.

Расстояние а от ролика 3 до торца детали 1 соответствует максимальному исходному отклонению от прямолинейности образующей. Детали 1 придают вращение с частотой n_d. Ролик 3 под действием сил трения совершает вращение с частотой n_r.

В процессе обработки деталь 1 совершает циклический поперечный изгиб с частотой n_d. Под действием этого изгиба в поперечном сечении детали сначала осуществляется пластическая деформация. Под действием пластической деформации материал детали упрочняется, а напряжения снижаются и приближаются по величине к пределу упругости. В процессе дальнейшей циклической упругой деформации детали, время которой определяется экспериментально, стабилизируются напряжения вдоль всей оси детали. После обработки вращение детали 1 прекращается, ролик 3 отводится, а деталь снимается. Так как напряжения по всему сечению детали в результате обработки выровнялись, то ось детали приобретает прямолинейную форму.

Пример. Обработке подвергают цилиндрическую деталь в виде прутка с наружным диаметром D=11 мм и длиной l=265 мм. Материал детали - сталь 40Х, имеющая предел текучести σ_T=1175 МПа и модуль упругости E=210000 МПа. Деталь в средней части имеет кривизну оси 0,1 мм.

Для детали круглой формы момент сопротивления изгиба равен:

$$\text{W}=\frac{\text{π}\cdot {\text{D}}^{\text{3}}}{\text{32}}=\text{130}\text{,6}{\text{мм}}^{\text{3}}$$ ;

момент инерции сечения

$$\text{J}=\frac{\text{π}}{\text{64}}\cdot {\text{D}}^{\text{4}}=\frac{\text{π}}{\text{64}}\cdot {\text{11}}^{\text{4}}=\text{718}\text{,3}{\text{мм}}^{\text{4}}$$ .

Для осуществления стабилизации размеров деталь устанавливают в центрах токарного станка и воздействуют на нее роликом, закрепленным в суппорте станка. Ролик располагают на расстоянии а=132,5 мм от торца детали, так как в этом месте имеется наибольший изгиб ее оси. С помощью ролика деталь деформируют в радиальном направлении на величину, определяемую по формуле (1):

$$\text{υ}=\text{0}\text{,35}\cdot \frac{\text{1175}\cdot \text{130}\text{,6}\cdot \text{132}\text{,5}\cdot \left(\text{265}-\text{132}\text{,5}\right)}{\text{210000}\cdot \text{718}\text{,3}}=\text{6}\text{,2}\text{мм}$$ .

Включают вращение детали с частотой n_d=200 об/мин и осуществляют обработку в течение 20 с. За это время деталь сделает 67 оборотов. В течение первых оборотов осуществляется пластическая деформация по всему ее сечению в зоне контакта с роликом, которая затем переходит в упругую деформацию, а напряжения снижаются до предела упругости. При дальнейшем вращении за счет многократной циклической деформации осуществляется снятие остаточных напряжений по всей длине детали. В результате обработки в каждом поперечном сечении детали напряжения уравновешиваются, а ось детали приобретает прямолинейную форму.

Технико-экономическая эффективность предложенного способа обработки заключается в следующем.

1. Повышается качество обработки, так как устраняется погрешность размеров деталей и ликвидируются остаточные напряжения, которые могли бы привести к потере точности детали с течением времени.

2. Простота осуществления способа, отпадает необходимость в использовании мощных силовых устройств.

3. Экономия энергии.

Источники информации

1. А.с. SU №138212, МПК: B21D 3/12, 1961.

2. А.с. SU №1148663, МПК: B21D 3/00, 1985.

3. А.с. SU №618158, МПК: B21D 3/02, 1978.

4. А.с. SU №421480, МПК: В24В 39/04, 1974.

5. А.с. SU №410851, МПК: B21D 3/10, 1974.

6. Патент RU №2116150, МПК: B21D 3/10, 1998 - прототип.

Способ правки длинномерных цилиндрических деталей, включающий приложение радиальной нагрузки к заготовке длинномерной цилиндрической детали с обеспечением прямолинейности ее оси, отличающийся тем, что концы детали закрепляют шарнирно, а радиальную нагрузку создают роликом, который располагают в месте наибольшего изгиба оси детали величиной
,
где [σ_T] - предел текучести материала детали;
W_x - момент сопротивления изгибу;
J_x - осевой момент инерции поперечного сечения детали;
Е - модуль упругости материала детали;
l - длина обрабатываемой поверхности;
а - расстояние от точки воздействия роликом на поверхность детали до одного из ее концов;
k=0,34-0,39 - коэффициент допустимой погрешности деформации,
при этом длинномерную цилиндрическую деталь вращают вокруг оси до выравнивания напряжений по сечению детали вдоль ее длины.