УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНЫМ РАСКАТЫВАНИЕМ Российский патент 2006 года по МПК B23P6/00 B24B39/02 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для восстановления и упрочнения металлических внутренних поверхностей деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагружением инструмента.

Известен способ и устройство для упрочнения металлических поверхностей, при котором осуществляют ультразвуковую обработку нанесенного слоя покрытия с дополнительным воздействием на деформирующий инструмент давления частотой 50...100 Гц и скважностью в пределах 1,3...3, что позволяет уплотнить поверхностный слой и создать на поверхности микрорельеф, повышающий износостойкость обработанной поверхности [1].

Недостатком известного способа и устройства являются ограниченные технологические возможности, не позволяющие восстановить размер изношенной поверхности, причем примененный ультразвуковой преобразователь, воздействующий на концентратор, имеет слишком высокую частоту колебаний при весьма малой амплитуде, что резко снижает производительность и качество уплотнения поверхностного слоя.

Известен способ и устройство для чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием [2], при котором сообщают движения подачи и скорости обработки инструменту и заготовке, контактирующим под приложенной к инструменту нормально к обрабатываемой поверхности постоянной статической нагрузкой в диапазоне усилий, обеспечивающих достижение заданной шероховатости, и периодической импульсной нагрузкой, изменяющейся в установленном диапазоне от минимального до максимального значения. При этом частоту пульсации нагрузки выбирают в зависимости от требуемой глубины наклепа.

Способ и устройство, реализующее его, отличаются ограниченными возможностями, не позволяющими восстанавливать размер изношенной поверхности, низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен способ и устройство для статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, осуществляемым инструментом, к которому нормально к обрабатываемой поверхности прикладывают постоянную статическую нагрузку и перпендикулярную импульсную нагрузку, которая сообщается посредством бойка и волновода, а форму, амплитуду, эффективную длительность и частоту единичных импульсов силы деформирования определяют по приведенным формулам [3].

Известный способ и устройство отличаются ограниченными возможностями, не позволяющими восстанавливать размер изношенной поверхности, а также управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей, позволяющих восстанавливать размер изношенной поверхности с помощью статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом внутренней поверхности путем использования устройства и инструмента специальной формы.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для восстановления и упрочнения внутренних поверхностей статико-импульсным раскатыванием, содержащего оправку, деформирующий инструмент, закрепленный на плунжере со смонтированной на последнем винтовой цилиндрической пружиной сжатия, а также размещенные на центральной продольной оси оправки волновод и боек в виде стержней, при этом боек выполнен с возможностью воздействия на волновод для передачи периодической импульсной нагрузки, причем оно снабжено плунжером со смонтированными на нем винтовой цилиндрической пружиной сжатия и другим деформирующим инструментом, расположенным диаметрально противоположно относительно указанного деформирующего инструмента, и винтовой цилиндрической пружиной сжатия, установленной на свободном торце волновода, поверхность которого выполнена конической и расположена в контакте со свободными торцами плунжеров, расположенных радиально, деформирующие инструменты выполнены сменными, при этом один из них - в виде клина с острым углом для получения островершинных макровыступов, а другой - с гладкой цилиндрической поверхностью с радиусом, равным радиусу обрабатываемого отверстия для образования рельефа поверхности, а винтовые цилиндрические пружины сжатия смонтированы на плунжерах для обеспечения приложения статической нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки предлагаемым устройством для восстановления и упрочнения внутренних поверхностей статико-импульсным раскатыванием, продольный разрез; на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - общий вид устройства; на фиг.4 - вид Б слева на фиг.3; на фиг.5 - элемент В на фиг.4, рельеф поверхности в виде островершинных макровыступов, образованных деформирующим инструментом, выполненным в виде клина с острым углом; на фиг.6 - элемент Г на фиг.4, рельеф восстановленной и упрочненной поверхности в виде плосковершинных макровыступов, образованных деформирующим инструментом с гладкой цилиндрической поверхностью.

Предлагаемое устройство служит для восстановления размера и упрочнения металлических внутренних поверхностей путем получения островершинных макровыступов за счет импульсного приложения сил и статико-импульсным раскатыванием до плосковершинного рельефа.

Заготовка 1 получает вращение V_з, а устройство для восстановления и упрочнения в виде оправки 2 движение продольной подачи S_пр вдоль оси отверстия обрабатываемой заготовки.

Деформирующие инструменты 3 и 4 выполнены сменными и закреплены на торцах радиально расположенных плунжеров 5, в количестве, принимаемом по конструктивным соображениям. Деформирующий инструмент 3 выполнен в виде клина с острым углом α при вершине, обеспечивающим получение островершинных макровыступов (фиг.5), а другой деформирующий инструмент 4, диаметрально противоположно расположенный в оправке 2, выполнен в виде гладкой цилиндрической поверхности радиусом R_и, равным радиусу обрабатываемого отверстия R_восст, обеспечивает получение плосковершинных макровыступов, образующих рельеф восстанавливаемой упрочненной поверхности (фиг.6).

Свободные торцы плунжеров 5 контактируют с коническими поверхностями волновода 6, выполненными в виде лысок под углом к продольной оси в количестве, равном количеству плунжеров 5.

Волновод 6 и боек 7 выполнены в виде стержней и расположены на центральной продольной оси оправки 2. На плунжерах 5 смонтированы винтовые цилиндрические пружины сжатия 8, благодаря которым создается статическая нагрузка Р_ст, действующая через деформирующие инструменты 3 и 4 по нормали на обрабатываемую поверхность отверстия заготовки 1.

Периодическую импульсную нагрузку Р_им осуществляют с помощью бойка 7, воздействующего на торец волновода 6, который своим конусом радиально разводит плунжеры 5 с инструментами 3 и 4. В качестве механизма импульсного нагружения инструментов применяется гидравлический генератор импульсов [4, 5].

Заготовке сообщают вращательное движение со скоростью V_з, а предлагаемому устройству, введенному в отверстие - продольную подачу S_пр. Периодическую импульсную Р_им нагрузку прикладывают в направлении продольной подачи и благодаря клиноплунжерному механизму, состоящему из плунжеров 5 и конического волновода 6, направляют ее по нормали к обрабатываемой поверхности.

После удара бойка 7 с целью отвода волновода 6 в первоначальное положение (согласно фиг.1, вправо) на свободный торец волновода воздействует винтовая цилиндрическая пружина сжатия 9.

Выбор конструкции пружин 8 и 9 (ГОСТ 13766-68) зависит от конкретных условий обработки и технических требований к обрабатываемой поверхности.

В результате удара бойка 7 по торцу волновода 6 в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать через плунжеры 5 на инструменты 3 и 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.

Предлагаемое устройство оснащено деформирующим инструментом 3, выполненным в виде клина с острым углом α при вершине (типа зубила), обеспечивающего нанесение и получение островершинных макровыступов (фиг.5). Впадины макровыступов могут располагаться в продольном или поперечном направлении в зависимости от расположения кромки клина деформирующего инструмента 3. На фиг.5-6 показаны поперечные сечения макровыступов с продольным расположением впадин.

Также при производстве ремонтных работ при восстановлении размеров изношенных поверхностей применяют инструмент в виде керна, которым наносят точечные впадины с образованием круговых макровыступов в виде «кратеров» (не показаны).

Полученные инструментом 3 макровыступы располагаются на радиусе впадин R_впд больше радиуса реставрируемой изношенной поверхности R_изн и радиус выступов R_выст меньше R_изн:

R_впд>R_изн>R_выст.

Для того чтобы впадины, полученные на последующем обороте, были продолжением впадин, полученных на предыдущем обороте, необходимо следующее равенство:

S_пр=L_кк,

где L_кк - длина кромки клина деформирующего инструмента 3, мм;

S_пр - продольная подача устройства, мм/об.

Другой деформирующий инструмент 4, диаметрально противоположно расположенный в оправке 2 относительно инструмента 3, выполнен в виде гладкой цилиндрической поверхности радиусом R_и в поперечном сечении, равным радиусу обрабатываемого отверстия R_восст, обеспечивает получение плосковершинных макровыступов, образующих рельеф восстанавливаемой упрочненной поверхности (фиг.6). При одинаковых силах Р_ст и Р_имп, действующих на инструменты 3 и 4, глубины проникновения последних в тело заготовки будут различны.

Деформирующий инструмент 4 в виде цилиндрической площадки при действии статико-импульсной нагрузки будет раскатывать макронеровности, полученные действием предыдущего инструмента 3, до плосковершинного рельефа (фиг.6). При этом плоские вершины макронеровностей будут расположены на радиусе восстановленной поверхности R_восст, который будет меньше радиуса изношенной поверхности R_изн:

R_впд>R_изн>R_восст.

Кроме того, устройство позволяет значительно уплотнить поверхностный слой и создать на поверхности микрорельеф, который дополнительно повышает износостойкость восстановленной обработанной поверхности.

Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструментов.

Глубина упрочнения восстановленного слоя, обработанного предлагаемым устройством, достигает 1,5...2,5 мм, что значительно (в 3...4 раза) больше, чем при традиционном статическом упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15...30%.

В результате статико-импульсной обработки предлагаемым устройством по сравнению с традиционным раскатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 1,8...2,7 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7...2,2 раза.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, восстановленного и упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки гильзы с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частоты ударов, размеров инструмента, 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.

Величина силы статического поджатия инструмента к обрабатываемой поверхности составляла Р_ст≥25...40 кН; Р_им=255...400 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость «сырых» образцов - HV 270...280. Глубина упрочненного статико-импульсной обработкой восстановленного слоя была в 3...4 раза выше, чем при традиционном раскатывании.

Упрочненный слой при традиционном статическом раскатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. Предлагаемым устройством 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 предлагаемым устройством значительно меньше.

Исследования напряженного состояния восстановленного и 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 1,1...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 R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Микровибрации в процессе, реализуемом предлагаемым устройством, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование восстанавливаемой и упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Таким образом, восстановление размеров изношенной внутренней поверхности с использованием предлагаемого устройства путем дополнительного воздействия на деформирующие инструменты в виде клина и гладкой цилиндрической поверхности статического и импульсного давления с низкой частотой позволяет значительно уплотнить восстановленный слой и при этом создать на поверхности микрорельеф, который дополнительно повышает износостойкость обработанной поверхности по сравнению с известными способами.

Источники информации

1. А.с. СССР 1481044, МКИ⁴ В 24 В 39/04. Борисов Ю.С., Ильенко А.Г., Марголин В.Б. и др. Способ упрочнения металлических поверхностей. 1192952, 4310 859/31-27; 28.09.87; 23.05.89. Бюл. №19.

2. А.с. СССР 456719, МКИ В 24 В 39/00. Способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием. 1974.

3. Патент РФ 2098259, МКИ⁶ В 24 В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. №96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. №34.

4. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.

5. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. №34.

Изобретение относится к устройствам для восстановления и упрочнения металлических внутренних поверхностей отверстий деталей. Устройство содержит оправку, два диаметрально противоположно расположенных деформирующих инструмента, закрепленных на радиально расположенных плунжерах, размещенные на центральной продольной оси оправки волновод и боек в виде стержней. Боек выполнен с возможностью воздействия на волновод для передачи периодической импульсной нагрузки. На каждом плунжере смонтирована винтовая цилиндрическая пружина сжатия для обеспечения приложения статической нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности. Поверхность волновода выполнена конической и расположена в контакте со свободными торцами плунжеров. На свободном торце волновода установлена винтовая цилиндрическая пружина сжатия. Деформирующие инструменты выполнены сменными, при этом один из них - в виде клина с острым углом для получения островершинных макровыступов, а другой - с гладкой цилиндрической поверхностью с радиусом, равным радиусу обрабатываемого отверстия для образования рельефа поверхности. В результате расширяются технологические возможности статико-импульсной обработки. 6 ил.

Устройство для восстановления и упрочнения внутренних поверхностей статико-импульсным раскатыванием, содержащее оправку, деформирующий инструмент, закрепленный на плунжере со смонтированной на последнем винтовой цилиндрической пружиной сжатия, а также размещенные на центральной продольной оси оправки волновод и боек в виде стержней, при этом боек выполнен с возможностью воздействия на волновод для передачи периодической импульсной нагрузки, отличающееся тем, что оно снабжено плунжером со смонтированными на нем винтовой цилиндрической пружиной сжатия и другим деформирующим инструментом, расположенным диаметрально противоположно относительно указанного деформирующего инструмента, и винтовой цилиндрической пружиной сжатия, установленной на свободном торце волновода, поверхность которого выполнена конической и расположена в контакте со свободными торцами плунжеров, расположенных радиально, деформирующие инструменты выполнены сменными, при этом один из них - в виде клина с острым углом для получения островершинных макровыступов, а другой - с гладкой цилиндрической поверхностью с радиусом, равным радиусу обрабатываемого отверстия, для образования рельефа поверхности, а винтовые цилиндрические пружины сжатия смонтированы на плунжерах для обеспечения приложения статической нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности.