УПРУГИЙ ДЕФОРМИРУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СТАТИКОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 2007 года по МПК B24B39/04 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статикоимпульсным нагружением упругого деформирующего инструмента.

Известен способ и устройство для чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием [1], 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 низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известны способ и устройство для статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, осуществляемой 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.

Известные способ и устройство отличаются ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности путем использования упругого деформирующего инструмента в виде части тора.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого упругого деформирующего инструмента для статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием валов, содержащего боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и инструмент, установленный из условия приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности вала, при этом упомянутый инструмент установлен на свободном конце волновода и выполнен упругим из проволоки в виде части тора с возможностью увеличения ее внутреннего радиуса для схватывания и деформирования обрабатываемого вала, часть тора размещена из условия расположения продольной оси обрабатываемого вала параллельно центральной оси тора, а внутренний диаметр последнего меньше диаметра обрабатываемого вала, при этом диаметр упомянутой проволоки и длина дуги части тора приняты из условия обеспечения упругого деформирования части тора при приложении к нему статической нагрузки.

Сущность предлагаемого деформирующего инструмента поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки предлагаемым инструментом для поверхностного пластического деформирования заготовки - вала, установленной в патроне и заднем центре на токарном станке; на фиг.2 - элемент А на фиг.1, конструкция деформирующего инструмента, центральная ось которого параллельна оси обрабатываемой заготовки, и положение его при действии статической нагрузки Р_ст; на фиг.3 - вид Б на фиг.1, положение деформирующего инструмента при контакте с заготовкой без нагрузки; на фиг.4 - вид Б на фиг.1, положение деформирующего инструмента при действии статической нагрузки Р_ст; на фиг.5 - вид Б на фиг.1, положение деформирующего инструмента при действии статической и периодической импульсной нагрузок; на фиг.6 - вид В на фиг.1, пятно контакта деформирующего инструмента с заготовкой при действии статической и периодической импульсной нагрузок.

Предлагаемый упругий деформирующий инструмент служит для поверхностного пластического деформирования с использованием постоянной статической P_ст и периодической импульсной Р_им нагрузок.

Заготовку 1, например вал, устанавливают в патроне 2 и поджимают центром 3 задней бабки токарного станка, а деформирующее устройство 4, оснащенное механизмами статического и импульсного нагружения инструмента, - в резцедержателе станка 5 (фиг.1). В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяется гидравлический генератор импульсов (не показан) [3, 4].

На свободном конце волновода 6 установлен упругий деформирующий инструмент 7 в виде части кольца. Как известно, кольцо или тор - поверхность, образованная вращением окружности радиусом r вокруг центральной оси, лежащей в плоскости этой окружности и не пересекающей ее [5]. Кольцо-тор характеризуется двумя параметрами: радиусом r вращающейся окружности и расстоянием R от центра окружности (радиусом r) до центральной оси вращения (фиг.3).

Упругий деформирующий инструмент 7 в виде части кольца установлен в устройстве 4 таким образом, что его центральная ось расположена параллельно продольной оси обрабатываемой заготовки, а внутренний диаметр кольца, равный 2R_внут=2(R-r), в свободном состоянии меньше обрабатываемого диаметра заготовки D_з, при этом диаметр проволоки 2r, из которой изготовлено кольцо, и длина дуги части кольца выбирают из расчета равенства сил статического нагружения P_ст и упругости кольца.

Фиксация параллельности центральной оси деформирующего инструмента - части кольца продольной оси заготовки осуществляется с помощью шпонки 9, закрепленной на волноводе 6, шпоночного паза 10, изготовленного в отверстии деформирующего устройства 4.

Инструменту 7 и заготовке 1 сообщают движение продольной подачи S_пр и вращательное движение со скоростью V_з обработки, вводят их в контакт. В направлении нормали к обрабатываемой поверхности к деформирующему инструменту прикладывают постоянную статическую Р_ст силу нагружения, создаваемую, например, суппортом токарного станка, в резцедержателе которого закреплен предлагаемый деформирующий инструмент.

Величина статической силы Р_ст деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала, при этом деформирующий инструмент - часть кольца деформируется, внутренний диаметр кольца увеличивается в размере с (2R_внут) до D_з охватывает и деформирует заготовку, оставляя пятно контакта d_ст (фиг.6).

Такое схватывание заготовки позволяет добиться максимальной площади пятна контакта, максимально достижимой глубины упрочненного слоя, степени упрочнения обрабатываемой поверхности и минимальной величины шероховатости.

Импульсное нагружение Р_им осуществляется посредством удара бойка 8 гидравлического генератора импульсов (не показан) по торцу волновода 6, на котором смонтирован инструмент - часть кольца 7, площадь пятна контакта несколько увеличивается до размеров d_им. Энергия удара бойка 8 больше жесткости части кольца, поэтому инструмент 7 остается в деформированном состоянии.

После прекращения действия энергии удара на инструмент и снятия статической нагрузки он восстанавливается в первоначальное положение (фиг.3) за счет сил упругости части кольца.

Таким образом, за один удар бойка 8 по волноводу 6 инструмент 7 совершит одно поперечное движение к центру обрабатываемой заготовки. Частота поперечной осцилляции инструмента зависит от частоты ударов бойка гидравлического генератора импульсов.

В результате удара бойка 8 по торцу волновода 6 в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать 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 инструмент только статической нагрузки Р_ст (фиг.4) внедрение его в обрабатываемую поверхность происходит на меньшую величину h_ст и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет минимальные размеры пятна контакта d_ст (фиг.6), при импульсной нагрузке Р_им (фиг.5) внедрение инструмента в обрабатываемую поверхность происходит на большую величину h_им и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет максимальные размеры d_им пятна контакта (фиг.6).

Кроме того, на фиг.6 видно, что при параллельном расположении осей заготовки и части кольца пятно контакта имеет максимальные размеры в поперечном направлении, и поэтому скорость вращения заготовки V_з устанавливают максимальную по сравнению с точечным деформирующим инструментом [1, 2], добиваясь максимальной производительности.

Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым упругим деформирующим инструментом, 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 статикоимпульсной обработки предлагаемым упругим деформирующим инструментом по сравнению с традиционным накатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 2...3 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7...2,2 раза.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым упругим деформирующим инструментом, проведены экспериментальные исследования обработки вала на токарном станке с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частота ударов, 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 P_ст≥25...40 кН; Р_им=255...400 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость «сырых» образцов - HV 270...280. Глубина упрочненного статикоимпульсной обработкой слоя в 3...4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном статическом обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. Предлагаемым упругим деформирующим инструментом 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 упругим деформирующим инструментом значительно меньше.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя статикоимпульсной 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 упругим деформирующим инструментом предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Деформации части кольца в процессе, реализуемом предлагаемым упругим деформирующим инструментом, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Они приводят к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывают дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчают формирование упрочняемой поверхности,

Деформации инструмента способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении импульсной нагрузки и деформации части кольца деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний размеров инструмента резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Предлагаемый упругий деформирующий инструмент расширяет технологические возможности статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием позволяет управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности.

Источники информации

1. А.с. СССР 456719, МКИ В24В 39/00. Способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием. 1974.

2. Патент РФ 2098259, МКИ⁶ В24В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. №96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. №34.

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. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд., исправленное. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. С.189.

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки заготовок в виде валов. Деформирующий инструмент содержит боек и волновод и инструмент, установленный из условия приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности вала. Упомянутый инструмент установлен на свободном конце волновода и выполнен упругим из проволоки в виде части тора для схватывания и деформирования обрабатываемого вала. Часть тора установлена из условия расположения продольной оси обрабатываемого вала параллельно центральной оси тора. Внутренний диаметр тора меньше диаметра обрабатываемого вала. Диаметр упомянутой проволоки и длина дуги части тора приняты из условия обеспечения упругого деформирования части тора при приложении к нему статической нагрузки. В результате расширяются технологические возможности. 6 ил.

Деформирующий инструмент для статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием валов, содержащий боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и инструмент, установленный из условия приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности вала, отличающийся тем, что упомянутый инструмент установлен на свободном конце волновода и выполнен упругим из проволоки в виде части тора с возможностью увеличения ее внутреннего радиуса для схватывания и деформирования обрабатываемого вала, часть тора размещена из условия расположения продольной оси обрабатываемого вала параллельно центральной оси тора, а внутренний диаметр последнего меньше диаметра обрабатываемого вала, при этом диаметр упомянутой проволоки и длина дуги части тора приняты из условия обеспечения упругого деформирования части тора при приложении к нему статической нагрузки.