УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ НЕПОЛНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2008 года по МПК B24B39/04 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам и способам, основанным на сочетании термического воздействия и отделочно-упрочняющей обработки неполных сферических поверхностей деталей, например, автомобильных шаровых пальцев из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) со статическим и электрическим нагружением инструмента.

Известен способ и устройство для обработки неполных сферических поверхностей деталей ППД, при котором обрабатываемой заготовке и деформирующему инструменту сообщают вращательное движение, причем деформирующему устройству сообщают вращение по окружности, лежащей в плоскости, смещенной относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, при этом угловая скорость деформирующего устройства связана с угловой скоростью обрабатываемой заготовки соотношением ω_ин>>ω_д, кроме того, дано математическое соотношение между усилием нагружения и усилием обкатывания [1].

Устройство и способ отличаются низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и невысокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, что не приводит к изменению физико-механических показателей поверхностного слоя заготовки, не повышаются износостойкость, предел выносливости и другие эксплуатационные характеристики, при этом примененный несамоустанавливающийся инструмент не позволяет получать качественную обрабатываемую поверхность.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей ППД благодаря использованию электромеханической обработки, основанной на сочетании термического и силового воздействия на поверхность обрабатываемой заготовки, что приводит к изменению показателей поверхностного слоя заготовки, повышению износостойкости, предела выносливости и других эксплуатационных характеристик, управлению глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, а также повышению качества и точности обработки путем самоустановки инструмента на неполной сферической поверхности обрабатываемой заготовки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для обработки заготовок с неполной сферической поверхностью поверхностным пластическим деформированием, содержащего индивидуальный привод со шпинделем и деформирующий элемент, установленный на шпинделе, при этом оно снабжено низковольтным источником электрического тока для подвода электрического тока к деформирующему элементу и заготовке, деформирующий элемент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, один торец которой выполнен в виде деформирующего кольца для контакта с заготовкой, а другой ее торец навернут на шпиндель, при этом деформирующее кольцо выполнено из условия осуществления вращательного движения в плоскости, смещенной относительно центра сферической поверхности на величину h, мм, которая определена по формуле:

h=(D_сф·sinα)/2 мм,

где D_сф - диаметр сферической поверхности, мм;

α=arc cos (H/d) - угол наклона оси шпинделя к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр сферической поверхности, град;

Н - размер, определяющий неполную сферическую поверхность заготовки, мм;

d - диаметр окружности, по которой происходит контакт деформирующего кольца с обрабатывающей неполной сферической поверхностью заготовки, мм.

Сущность устройства для обработки заготовок с неполной сферической поверхностью поверхностным пластическим деформированием поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки поверхностным пластическим деформированием заготовки автомобильного шарового пальца с помощью предлагаемого устройства; на фиг.2 - сечение А - А на фиг.1.

Предлагаемое устройство служит для поверхностного пластического деформирования (ППД) неполных сферических поверхностей 1 в сочетании с термическим и силовым воздействием деформирующего инструмента 2, при котором обрабатываемой заготовке 3, например типа автомобильного шарового пальца, сообщают вращательное движение V_з, а инструменту - вращательное движение V_И и продольную подачу S_ПР к центру О неполной сферической поверхности, при этом к месту контакта инструмента и заготовки подводится электрический ток от неподвижных контактов через вращающиеся элементы оборудования.

Устройство для ППД неполных сферических поверхностей содержит индивидуальный привод (не показан) со шпинделем 4, на котором установлен деформирующий инструмент 2, выполненный в виде винтовой цилиндрической пружины 5.

Винтовая цилиндрическая пружина 5 одним торцом навернута на шпиндель 4, на котором нарезана специальная винтовая канавка под закрепляемую пружину.

Второй торец пружины 5, контактирующий с неполной сферической поверхностью 1 заготовки 3, выполнен в виде деформирующего кольца 2 для контакта с заготовкой.

Продольное расположение винтовой цилиндрической пружины 5 позволяет одновременно передавать вращательное движение V_И от шпинделя 4 и статическую нагрузку деформирующему инструменту 2 за счет продольной подачи S_ПР всего устройства, при этом пружина реализует возможность самоцентрирования инструмента относительно заготовки.

В связи с особенностью конструкции обрабатываемой заготовки 3, а именно неполной сферической поверхностью 1 устройство смещено относительно центра сферы на величину h, определяемую по формуле:

h=(D_сф·sinα)/2 мм,

где D_сф - диаметр сферической поверхности 1, мм;

α=arc cos (H/d) - угол наклона оси шпинделя к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр сферической поверхности, град;

Н - размер, определяющий неполную сферическую поверхность заготовки, мм;

d - диаметр окружности, по которой происходит контакт деформирующего кольца с обрабатывающей неполной сферической поверхностью заготовки, мм.

Деформирующий элемент - кольцо 2 совершает вращательное движение по окружности диаметром d, лежащей в плоскости, которая смещена относительно центра О обрабатываемой сферической поверхности на величину h, зависящую от конструктивных особенностей обрабатываемой заготовки.

Диаметр окружности d, по которой происходит контакт деформирующего кольца с обрабатывающей сферической поверхностью, зависит от размера Н, определяющего неполную сферическую поверхность заготовки, и угла наклона оси шпинделя устройства к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр О сферической поверхности, и определяется по формуле: d=Н/cos α, мм. Этот диаметр можно считать внутренним диаметром деформирующего кольца 2 инструмента.

Неполная сферическая поверхность обрабатываемой заготовки вынуждает устанавливать продольную ось головки под углом α относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки, величина которого также зависит от конструктивных особенностей обрабатываемой заготовки.

Пружинное соединение 5 шпинделя 4 с деформирующим инструментом - кольцом 2 позволяет осуществить самоцентрирование и самоустановку последнего на обрабатываемой заготовке 3 при случайном отклонении продольной оси шпинделя 4 от центра О обрабатываемой сферической поверхности 1. Величина статической силы деформирования, создаваемая путем продольного перемещения устройства, зависит от свойств пружины 6, а именно от материала проволоки, из которой навита пружина, ее диаметра, диаметра витков пружины и количества рабочих витков, расположенных между торцом шпинделя 4 и кольцом 2.

С целью снижения величины статической силы деформирования, которая выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала, к деформирующему инструменту и обрабатываемой заготовке подведен электрический ток от низковольтного источника электрического тока [2].

ППД с пропусканием электрического тока через контакт инструмента и заготовки приводит к изменению физико-механических и геометрических показателей поверхностного слоя и, как следствие, к повышению износостойкости, предела выносливости и других эксплуатационных характеристик. Эффект ППД с пропусканием электрического тока достигается благодаря тому, что реализуются сверхбыстрые скорости нагрева и охлаждения и достигается высокая степень измельченности аустенитного зерна, которая обуславливает мелкокристаллические структуры закалки поверхностного слоя, обладающего высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

При данной обработке использовали постоянный и переменный ток. Применение постоянного тока при небольших усилиях позволяет значительно уменьшить исходную шероховатость. Так, при одинаковых значениях силы тока высотные параметры исходной шероховатости поверхности могут быть уменьшены в 2...3 раза, при переменном токе они могут быть увеличены в 4...6 раз. Это объясняется лучшим прогревом микронеровностей, уменьшением их сопротивляемости деформированию и снижением вибрации. Однако при упрочнении постоянным током наблюдается резкий перепад твердости упрочненного слоя и неупрочненной сердцевины, что может привести к отслаиванию поверхностного слоя и к уменьшению усталостной и контактной прочности.

Применение переменного тока обеспечивает плавный переход твердости от поверхности к сердцевине, большую глубину упрочнения и более высокую микротвердость упрочненного слоя.

Точность формы обрабатываемой неполной сферической поверхности заготовки предлагаемым деформирующим устройством с использованием электрического тока повышается и снижается величина шероховатости благодаря самоцентрированию и самоустановке инструмента на обрабатываемой заготовке при ее биениях и вибрациях.

Глубина упрочненного слоя предлагаемым деформирующим устройством с использованием электрического тока достигает 0,5...1,5 мм, что значительно (в 1,5...2 раза) больше, чем при традиционном упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15...25%. В результате обработки предлагаемым деформирующим устройством по сравнению с традиционным накатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 1,5...2,2 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более - в 1,3...1,6 раза.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки автомобильного шарового пальца с использованием электрического тока. Заготовку пальца шарового верхнего 2101-2904187, установленную в специальном электромеханическом приспособлении, упрочняли на станке мод. 16К20 предлагаемым деформирующим устройством с использованием электрического тока. Заготовка изготовлена из стали 40Х ГОСТ 1050-74. Обрабатывали неполную сферическую поверхность диаметром 32,7±0,1; исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,63; деформирующим инструментом в виде цилиндрической винтовой пружины, изготовленной из термообработанной стали марки 65Г, рабочая поверхность деформирующего кольца пружины полировалась до Ra=0,08...0,16 мкм. Обработку вели на следующих режимах: скорость вращения заготовки V_з=10 м/мин (n_з=100 мин^-1); скорость ППД V_и=50 м/мин (n_и=500 мин^-1); продольная подача S_пр=0,1 мм^-1 деформирующего инструмента осуществлялась до создания величины силы статического поджатия инструмента к обрабатываемой поверхности Р_ст≥25...40 кН; глубина слоя повышенной твердости составляла 0,15...0,20 мм; плотность тока 700...1500 А/мм.

Требуемая шероховатость и точность обработанной неполной сферической поверхности была достигнута за Т_м=0,7 мин (против Т_м ^баз= 2,75 мин по базовому варианту при традиционном упрочнении шариком на Орловском сталепрокатном заводе ОСПАЗ). Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68 и на профилометре мод. 283 тип AII ГОСТ 19300-86. В обработанной партии (равной 100 штук) бракованных деталей не обнаружено. Отклонение обработанной поверхности от сферичности составило не более 0,02 мм, что допустимо ТУ.

Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных поверхностей уменьшился до значения Ra=0,32...0,63 мкм при исходном - Ra=3,2...6,3 мкм, производительность повысилась более чем в три раз по сравнению с традиционным упрочнением.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя 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 4 раза.

Статическая нагрузка, создаваемая самоцентрирующим устройством, благоприятно сказывается на условиях работы инструмента - кольца. Самоцентрирование приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующий инструмент - кольцо, а использование электрического тока облегчает формирование упрочняемой поверхности.

При наложении статической нагрузки деформирующая поверхность инструмента - кольца изнашивается одинаково, что способствует увеличению общей стойкости устройства.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности ППД благодаря использованию электрического тока и самоцентрирующего деформирующего инструмента - кольца, позволяющим весьма просто управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, а также повышает качество и точность обработки путем самоустановки инструмента на сферической поверхности обрабатываемой заготовки.

Использование электрического тока в предлагаемом устройстве позволяет добиться не только требуемой шероховатости поверхности, но и возможности получить закаленную структуру поверхностного слоя с повышенной износостойкостью, что обуславливается его высокой твердостью, прочностью и мелкозернистой структурой. Сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое благоприятно влияют на повышение контактной прочности. Кроме того, износостойкость повышается за счет образования после пропускания электротока большой несущей способности профиля, чем после механической и термической обработки, что уменьшает время приработки.

Источники информации

1. Патент РФ 2031770, МКГ⁶ В24В 39/04, 39/00. Способ обработки неполных сферических поверхностей деталей поверхностным деформированием. Гаврилин А.М., Самойлов Н.Н. 5045958/27; 14.04.92; 27.03.95. Бюл. №9 - прототип.

2. Суслов А.Г., Горленко А.О, Сухарев С.О. Электромеханическая обработка деталей машин. // Справочник. Инженерный журнал №1, 1998. С.15-18.

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к обработке неполных сферических поверхностей поверхностным пластическим деформированием. Устройство содержит индивидуальный привод со шпинделем, на котором установлен деформирующий элемент и низковольтный источник электрического тока для подвода электрического тока к деформирующему элементу и заготовке. Деформирующий элемент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, один торец которой выполнен в виде деформирующего кольца для контакта с заготовкой, а другой ее торец навернут на шпиндель. Деформирующее кольцо выполнено из условия осуществления вращательного движения в плоскости, смещенной относительно центра сферической поверхности. В результате расширяются технологические возможности, повышается качество и точность обработки. 2 ил.

Устройство для обработки заготовок с неполной сферической поверхностью поверхностным пластическим деформированием, содержащее индивидуальный привод со шпинделем и деформирующий элемент, установленный на шпинделе, отличающееся тем, что оно снабжено низковольтным источником электрического тока для подвода электрического тока к деформирующему элементу и заготовке, деформирующий элемент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, один торец которой выполнен в виде деформирующего кольца для контакта с заготовкой, а другой ее торец навернут на шпиндель, при этом деформирующее кольцо выполнено из условия осуществления вращательного движения в плоскости, смещенной относительно центра сферической поверхности на величину h, мм, которая определена по формуле:

h=(D_сф·sinα)/2,

где D_сф - диаметр сферической поверхности, мм;

α=arccos (H/d) - угол наклона оси шпинделя к плоскости перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр сферической поверхности, град;

Н - размер, определяющий неполную сферическую поверхность заготовки, мм;

d - диаметр окружности, по которой происходит контакт деформирующего кольца с обрабатываемой неполной сферической поверхностью заготовки, мм.