Способ правки длинномерных цилиндрических деталей

Изобретение относится к холодной обработке металлов давлением, а точнее, к способам и устройствам для правки. К заготовке прикладывают радиальную нагрузку, концы детали закрепляют шарнирно, радиальную нагрузку создают двумя роликами путем поперечной деформации вала на определенную расчетной формулой величину. При этом ролики располагают симметрично относительно центра детали, а детали придают вращение вокруг оси до выравнивания напряжений по ее сечению. Повышается качество детали за счет устранения остаточных напряжений. 1 ил.

 

Изобретение относится к холодной обработке металлов давлением, а именно к способам 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]. Недостатком 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 параметров 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 напряжения 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 влияние на стабилизацию размеров. Кроме того, указанный способ сложен в осуществлении, так как требует наличия громоздких силовых механизмов.

Задачей изобретения является повышение качества процесса правки длинномерных цилиндрических деталей.

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, концы длинномерной цилиндрической детали закрепляют шарнирно, а радиальную нагрузку создают двумя роликами, которые располагают на одинаковом расстоянии от торцов детали, с обеспечением деформации детали в радиальном направлении величиной, определяемой по формуле:

,

где:

[σ_T] - предел текучести материала детали, МПа;

W_x - момент сопротивления изгибу, мм³;

J_x - осевой момент инерции поперечного сечения детали, мм⁴;

Е - модуль упругости материала детали, МПа;

l - длина обрабатываемой поверхности, мм;

а - расстояние от точки воздействия ролика на поверхность детали до ближайшего ее конца, равное а=(0,2-0,3)l, мм;

k - коэффициент допустимой погрешности деформации: k=0,09-0,12, при этом заготовке сообщают вращение вокруг оси до выравнивания напряжений по сечению детали вдоль ее длины.

Так как концы детали закрепляют шарнирно, а ролики располагают симметрично относительно середины детали, то наибольший изгибающий момент возникает между двумя роликами, что обеспечивает наиболее эффективную обработку. Так как деформация детали роликами обеспечивает возникновение напряжений, равных пределу текучести на длине, равной расстоянию между роликами, а деталь вращают, то по всему сечению детали на этой длине напряжения 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. Расстояние от роликов до торцов детали устанавливают в указанных пределах, так как при меньших его значениях значительно возрастает сила воздействия роликов на деталь, а при больших значениях уменьшается расстояние между роликами, где наиболее интенсивно стабилизируются параметры детали.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема обработки.

Цилиндрическую деталь 1 с наружным диаметром D и с внутренним диаметром d устанавливают в центрах 2 токарного станка, обеспечивающих шарнирное закрепление концов детали, и поджимают роликами 3, закрепленными в суппорте станка так, чтобы ось детали получила поперечную 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 ближайшего ее конца; k - коэффициент допустимой погрешности деформации: k=0,09-0,12.

Расстояние а от ролика 3 до торца детали 1 устанавливают равным а=(0,2-0,3)l.

При меньших из указанных значений а возникает слишком высокая нагрузка на деталь со стороны роликов, что может повредить поверхность детали в месте ее контакта с роликами, а также может вызвать повышенный износ опорной поверхности детали и инструмента (центра), с помощью которого деталь установлена на станке. При больших из указанных значений а уменьшается участок b детали, где возникают напряжения, равные пределу текучести, что может снизить эффективность обработки.

Детали 1 придают вращение (например, с помощью хомута, закрепленного на конце детали) вокруг ее оси с частотой n_d. Ролики 3 под действием сил трения совершают вращение с частотой n_r.

В промежутке между роликами на расстоянии b возникает равный изгибающий момент, который вызывает во всех сечениях детали на этой длине напряжение, равное пределу текучести. В процессе обработки деталь 1 совершает циклический поперечный изгиб с частотой n_d. Под действием этого изгиба в поперечном сечении детали на участке b 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 прекращают, ролики 3 отводят от обрабатываемой поверхности, а деталь снимают. Так как напряжения по всему сечению детали в результате обработки выравнялись, 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 Е=210000 МПа. Требуется устранить кривизну оси детали.

Для цилиндрической детали момент сопротивления изгибу равен:

;

момент инерции сечения:

.

Для осуществления стабилизации размеров деталь устанавливают в центрах токарного станка и воздействуют на нее двумя роликами, закрепленными в суппорте станка. Ролики располагают на одинаковом расстоянии а=66 мм от ближайшего торца детали. С помощью роликов деталь деформируют в радиальном направлении на величину, определяемую по формуле (1):

,

при этом величину деформации контролируют, например, с помощью индикатора часового типа.

Время, необходимое для стабилизации размеров детали, определяют экспериментально. Включают вращение детали с частотой - 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 сечению детали в промежутке между контактами с роликами, 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. При меньшем времени обработки (менее 20 с) стабилизация параметров детали будет осуществляться частично.

Технико-экономическая эффективность предложенного способа обработки заключается в следующем:

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

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

3. Экономия энергии.

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU №138212, МПК: B21D 3/12, 1961.

2. Авторское свидетельство SU №1148663, МПК: B21D 3/00, 1985.

3. Авторское свидетельство SU №618158, МПК: B21D 3/02, 1978.

4. Авторское свидетельство SU №421480, МПК: В24В 39/04, 1974.

5. Авторское свидетельство 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 длинномерной цилиндрической детали закрепляют шарнирно, а радиальную нагрузку создают двумя роликами, которые располагают на одинаковом расстоянии от торцов детали, с обеспечением деформации детали в радиальном направлении величиной, определяемой по формуле:
,
где:
[σ_T] - предел текучести материала детали, МПа;
W_x - момент сопротивления изгибу, мм³;
J_x - осевой момент инерции поперечного сечения детали, мм⁴;
Е - модуль упругости материала детали, МПа;
l - длина обрабатываемой поверхности, мм;
а - расстояние от точки воздействия ролика на поверхность детали до ближайшего ее конца, равное а=(0,2-0,3)l, мм;
k - коэффициент допустимой погрешности деформации: k=0,09-0,12,
при этом заготовке сообщают вращение вокруг оси до выравнивания напряжений по сечению детали вдоль ее длины.