ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ГАЛТЕЛЕЙ ВАЛОВ Российский патент 1996 года по МПК B24B39/04 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки галтелей валов с целью повышения их усталостной прочности.

Первый уровень развития данной обработки создание инструмента для упрочнения галтелей валов поверхностным пластическим деформированием (ППД), выполненного в виде цилиндрического ролика с постоянным радиусом рабочего профиля, равным радиусу галтели [1]
Данный тип инструментов не позволяет обрабатывать галтели большого радиуса, т. к. в этом случае имеет место значительная неравномерность удельного контактного давления, а следовательно, глубины пластической деформации.

К этому уровню относится также инструмент для упрочнения галтелей валов поверхностным пластическим деформированием (ППД), выполненный в виде цилиндрического ролика, но с радиусом рабочего участка, меньшим радиуса галтели [2]
Данный тип инструмента не позволяет получать равномерную глубину пластического деформирования, вследствие наличия переменной составляющей усилия, направленной вдоль оси вала, которая приводит к неравномерному распределению контактных давлений по профилю галтели.

Второй уровень развития данной обработки создание инструмента для упрочнения галтелей валов поверхностным пластическим деформированием (ППД), выполненного в виде клинового ролика, образованного пересечением под некоторым углом двух торов с рабочим участком постоянного радиуса [3]
Данный тип инструмента не позволяет получать равномерную глубину пластического деформирования по профилю галтели, вследствие значительной неравномерности удельного контактного давления при переходе от середины галтели к основанию.

Задача: создание инструмента в виде клинового ролика с переменным радиусом рабочего профиля, обеспечивающим снижение влияния концентрации напряжений галтелей валов, работающих при циклических нагрузках, путем упрочнения профиля галтели ППД с наведением полей остаточных сжимающих напряжений. Повышение однородности прочностных и пластических свойств поверхностного слоя материала в зоне галтели путем ППД и, как следствие, снижение уровня локальных микронеоднородных деформаций, приводящих к зарождению и развитию усталостной трещины.

Технический результат: повышение усталостной прочности и долговечности путем упрочнения профиля галтели ППД с обеспечением равномерной глубины пластической деформации по всему профилю галтели.

Технический результат достигается тем, что инструмент для поверхностного упрочнения галтелей валов ППД выполнен в виде клинового ролика, образованного пересечением под некоторым углом двух торов с рабочим участком переменного радиуса, изменяющимся от своего максимального значения у вершины клина до минимального у основания клина, при этом величины максимального и минимального радиусов рабочего профиля связаны соотношением

где R радиус галтели вала, мм;
α угол наклона ролика, мм;
r максимальный радиус профиля ролика, мм;
r₁ минимальный радиус профиля ролика, мм.

Данное соотношение обеспечивает равенство удельных контактных давлений в середине галтели и у ее краев.

Учитывая, что при обработке клиновым роликом средняя часть галтели обкатывается при контакте инструмента с обрабатываемой поверхностью в одной точке, а края галтели обкатываются при одновременном контакте инструмента с обрабатываемой поверхностью в двух точках, то для обеспечения условия постоянного удельного давления как в середине, так и у краев галтели необходимо, чтобы

где F усилие обкатки;
A_c площадь поверхности контакта ролика с галтелью в средней части;
A_k площадь поверхности контакта ролика с галтелью у каждого края галтели.

Считаем, что площадь поверхности контакта ролика с галтелью может быть определена по формуле для эллипса, а отношение площадей контакта равно отношению их проекций на плоскость. Тогда площадь контакта ролика с галтелью может быть определена по формуле
A = π•a•b (3)
где а и b полуоси проекции отпечатка контакта на плоскость.

Для упруго-пластического контакта торовой поверхности ролика с профильным радиусом r и радиусом окружности r' с галтелью радиуса R вала с меньшим радиусом R₁ и шероховатостью поверхности R_z величины полуосей можно определить из соотношения

Из данных выражений следует, что величина полуоси b не зависит от радиуса профиля r рабочего участка ролика, следовательно, для выполнения условия (2) необходимо, чтобы
a_c= 2a_к•sinα (5)
где a_c величина полуоси отпечатка контакта в середине галтели;
a_k величина полуоси отпечатка контакта на краю галтели.

Подставив в условие (5) значение а из выражения (4) имеем

откуда
(6)
где R радиус галтели вала, мм;
α угол наклона ролика;
r максимальный радиус профиля ролика, мм;
r₁ минимальный радиус профиля ролика, мм.

Из условия (6), определяющего соотношение между максимальным значением радиуса профиля рабочего участка ролика r и его минимальным значением r₁ следует, что величины профильных радиусов не зависят от исходной шероховатости упрочняемой галтели, ни от диаметра вала, галтель которого подвергается упрочнению ППД.

Таким образом, зная радиус галтели R и определив максимальную величину радиуса профиля рабочего участка ролика в вершине клина, исходя из необходимой глубины пластической деформации, из соотношения (6) определяем минимальную величину радиуса профиля рабочего участка ролика у основания клина, обеспечивающее равенство удельных контактных давлений в середине и у краев упрочняемой галтели вала.

На фиг. 1 показан главный вид предлагаемого инструмента, на фиг. 2 то же, вид сбоку, на фиг. 3 и фиг. 4 показаны схемы взаимодействия инструмента с галтелью, в середине и у краев.

Инструмент содержит оправку 1 и напрессованный на нее клиновой ролик 2, с рабочим участком, образованным пересечением под некоторым углом "γ" двух торов 3 и 4, при этом радиус сечения торов, являющийся радиусом профиля рабочего участка ролика, изменяется от своего максимального значения r у вершины клина до минимального r₁ у основания клина, величины r и r₁ связаны с соотношением

где R радиус галтели вала, мм;
α угол наклона ролика;
r максимальный радиус профиля ролика, мм;
r₁ минимальный радиус профиля ролика, мм.

Инструмент работает следующим образом (фиг. 3, 4): вершиной клина 5 инструмент подводится к середине галтели 6 с постоянным усилием F, которое обеспечивает удельное контактное давление в середине галтели, равное F/A_c. Валу сообщается вращательное движение и ролик, взаимодействуя поочередно с различными участками профиля галтели, производит поверхностное пластическое деформирование. При этом, когда ролик деформирует края галтели, он одновременно опирается двумя точками (фиг. 4), и усилие в каждой точке равно F/2•sinα.. В то же время и площадь контакта A_k меньше A_c вследствие уменьшения радиуса от r и r₁. В результате контактное давление остается неизменным, т.е.

q = F/A_c= F/2•A_к•sinα,
что обеспечивает одинаковую глубину пластического деформирования как в середине, так и у краев галтели.

В таблице представлены результаты определения глубины пластического деформирования, полученной на галтели вала при упрочнении известным и предлагаемым инструментом.

Исследование проводилось для случая упрочнения галтели вала из стали 45 (НВ 200, R_z20) с радиусом галтелей 15 мм.

Известный и предлагаемый инструмент имели следующие параметры. Диаметр окружности роликов D_p 110 мм, угол клина γ = 7.. В известном инструменте радиус профиля ролика r const 5 мм; в предлагаемом инструменте r var 2,3 5 мм.

Предлагаемый инструмент позволяет увеличить эффективность упрочнения ППД галтелей валов за счет получения равномерной глубины пластической деформации по всему профилю галтели и, как следствие, способствуя снижению влияния концентратора напряжения, повысить усталостную прочность вала.

Использование: изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки галтелей валов с целью повышения их усталостной прочности. Сущность изобретения: инструмент для поверхностного упрочнения галтелей валов содержит оправку с напрессованным на нее клиновым роликом с рабочим участком, образованным пересечением под некоторым углом двух торов, при этом радиус сечения торов, являющийся радиусом профиля рабочего участка ролика, изменяется от своего максимального значения у вершины клина до минимального значения у основания клина. Дана математическая зависимость между максимальным и минимальным значениями радиусов рабочего профиля инструмента. 4 ил., 1 табл.

Инструмент для поверхностного упрочнения галтелей валов пластическим деформированием, выполненный в виде клинового ролика с рабочим участком, образованным пересечением двух торов под углом друг к другу, отличающийся тем, что рабочий участок выполнен с переменным радиусом профиля, изменяющимся от своего максимального значения у вершины клина до минимального у основания клина, при этом величины максимального r и минимального r₁радиусов рабочего профиля связаны соотношением

где R радиус галтели вала, мм;
α угол наклона ролика.