СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ АЛМАЗОАБРАЗИВНОЙ И УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ НЕПОЛНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2008 года по МПК B24B39/04 

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

Известен способ комбинированной алмазоабразивной и упрочняющей обработки заготовок с неполной сферической поверхностью, включающий сообщение вращательного движения заготовке и вращательного движения и статической нагрузки деформирующему инструменту для осуществления упрочняющей обработки заготовки [1].

Способ отличается низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и невысокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, низкой производительностью, так как перед операцией ППД необходимо выполнить операцию шлифования, что требует дополнительных затрат, при этом примененный несамоустанавливающийся инструмент не позволяет получать качественную обрабатываемую поверхность.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей ППД благодаря использованию комбинированной механической обработки, основанной на сочетании алмазоабразивной обработки и силового воздействия на поверхность обрабатываемой заготовки, что приводит к изменению показателей поверхностного слоя заготовки, повышение износостойкости, предела выносливости и других эксплуатационных характеристик, управление глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, а также повышение качества и точности обработки путем самоустановки инструментов на сферической поверхности обрабатываемой заготовки.

Поставленная задача решается предлагаемым способом комбинированной алмазо-абразивной и упрочняющей обработки заготовок с неполной сферической поверхностью, включающим сообщение вращательного движения заготовке и вращательного движения и статической нагрузки деформирующему инструменту для осуществления упрочняющей обработки заготовки, при этом перед упрочняющей обработкой заготовки производят ее шлифование алмазоабразивным инструментом, выполненным в виде кольца с внутренней конической поверхностью, на которой нанесен алмазо-абразивный слой, и установленным на торце своей винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой навернут и жестко закреплен на шпинделе, используют деформирующий инструмент, выполненный в виде кольца с торовой внутренней поверхностью и установленный на одном торце своей винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой навернут и жестко закреплен на своем шпинделе, при этом устанавливают алмазо-абразивный и деформирующий инструменты противоположно друг к другу относительно заготовки и под углом α, град., к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр ее сферической поверхности, обеспечивают контакт алмазоабразивного и деформирующего инструментов с обрабатываемой поверхностью заготовки по окружностям диаметром d, мм, плоскости которых перпендикулярны, соответственно, продольным осям винтовых цилиндрических пружин алмазоабразивного и деформирующего инструментов, упомянутый диаметр d определяют по формуле:

где R - радиус обрабатываемой сферической поверхности заготовки, мм; H, h - размеры, определяющие неполную сферическую поверхность заготовки, мм.

Сущность способа комбинированной алмазоабразивной и упрочняющей обработки заготовок с неполной сферической поверхностью поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема комбинированной алмазоабразивной обработки с последующим поверхностным пластическим деформированием заготовки автомобильного шарового пальца; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - к расчету угла α наклона осей шпинделей алмазоабразивного и деформирующего инструментов и диаметра окружности d, по которой происходит контакт инструментов с обрабатывающей сферической поверхностью.

Предлагаемый способ предназначен для алмазо-абразивной обработки с последующим поверхностным пластическим деформированием - упрочнением сферической поверхности 1.

Обработка осуществляется алмазоабразивным инструментом 2 с последующим силовым воздействием деформирующего инструмента 3, при котором обрабатываемой заготовке 4, например, типа автомобильного шарового пальца сообщают вращательное движение V_з, алмазо-абразивному и упрочняющему инструменту - вращательные движения V_AA и V_y, соответственно, а также каждому инструменту продольную подачу S_ПР к центру О сферической поверхности.

Предлагаемый способ комбинированной алмазоабразивной упрочняющей обработки неполных сферических поверхностей содержит индивидуальный привод (не показан) со шпинделем 5 с алмазоабразивным инструментом 2 и индивидуальный привод (не показан) со шпинделем 6 с деформирующим инструментом 3.

Алмазоабразивный инструмент выполнен в виде кольца 2 с внутренней конической поверхностью, на которой нанесен алмазоабразивный слой 7, контактирующий с заготовкой по окружности диаметром d. Алмазоабразивный инструмент 2 установлен на конце своей винтовой цилиндрической пружины 8, которая вторым торцом навернута и жестко закреплена на шпинделе 5 с нарезанной специальной винтовой канавкой под закрепляемую пружину.

Деформирующий инструмент также выполнен в виде кольца 3 и контактирует с заготовкой по окружности диаметром d.

Плоскости, проходящие через окружности диаметром d, перпендикулярны продольным осям пружин 8 и 9 каждого инструмента.

Деформирующий инструмент 3 установлен на одном торце своей винтовой цилиндрической пружины 9, которая вторым торцом навернута и жестко закреплена на своем шпинделе 6.

Алмазоабразивный 2 и деформирующий 3 инструменты с приводами установлены противоположно друг к другу и под углом α к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр неполной сферической поверхности заготовки.

Угол α и диаметр d определяются из нижеследующих зависимостей (см. фиг.4). Если расстояние от центра О до лыски сферической поверхности обозначить как «с», тогда c=R-h, cosβ=c/R, откуда β=arccos (c/R). Радиус «k» лыски определяется по формуле: k=R sinβ. Подставляем найденное значение угла β, получаем k=R sin[arccos (c/R)]. Обозначим «z» - расстояние от центра сферы О до торца сферы, тогда z=H-c, cosγ=z/R, откуда γ=arccos (z/R). Радиус торца сферической поверхности - (m+b), где m=k, определяется из формулы: (m+b)/R=sinγ и равен (m+b)=Rsinγ. Тогда превышение b=Rsin[arccos (z/R)]-k, подставляя значение k, получим:

b=Rsin[arccos(z/R)]-Rsin[arccos (c/R)].

Угол α определим из треугольника, сторонами которого являются H,b,d: - tg α=b/H, откуда α=arctg (b/H). Подставляем вышенайденные значения и получаем формулу, определяющую угол α, град.:

где R - радиус обрабатываемой сферической поверхности 4, мм;

H, h - размеры, определяющие неполную сферическую поверхность заготовки 4, мм;

d - диаметр окружности, по которой происходит контакт алмазо-абразивного 2 и деформирующего 3 инструментов с обрабатывающей неполной сферической поверхностью 4, мм.

Продольное расположение винтовых цилиндрических пружин 8 и 9 позволяет одновременно передавать вращательные движение V_AA и V_y от шпинделей 5 и 6 и осуществлять статическую нагрузку на алмазо-абразивный и деформирующий инструменты 2 и 3 за счет продольной подачи S_ПР каждого из приводов, при этом пружины 8 и 9 реализуют возможность самоцентрирования инструментов относительно заготовки.

В связи с особенностью конструкции обрабатываемой заготовки 4, а именно неполной сферической поверхностью 1, шпиндели смещены относительно центра сферы, при этом алмазоабразивный 2 и деформирующий 3 инструменты совершают вращательные движения по окружности диаметром d, которая определяется по формуле (см. фиг.4): d=b/sinα. Подставляя найденные выше значения b и α, получаем формулу определения d, мм:

Диаметр окружности d, по которой происходит контакт алмазо-абразивного и деформирующего инструментов с обрабатывающей неполной сферической поверхностью, зависит от размеров h и H, определяющих неполную сферическую поверхность заготовки, и угла наклона осей шпинделей к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр О сферической поверхности. Этот диаметр можно считать внутренним диаметром алмазоабразивного 2 и деформирующего 3 инструментов.

Пружинное соединение 8 и 9 шпинделей 5 и 6 с алмазоабразивным 2 и деформирующим 3 инструментами позволяет осуществить самоцентрирование и самоустановку последних на обрабатываемой заготовке 4 при случайном отклонении продольных осей шпинделей 5 и 6 от центра О обрабатываемой сферической поверхности 1.

Величина статической силы деформирования, создаваемая путем продольного перемещения устройства, зависит от свойств пружины 9, а именно от материала проволоки, из которой навита пружина, ее диаметра, диаметра витков пружины и количества рабочих витков, расположенных между торцом шпинделя 6 и деформирующим инструментом 3.

Предлагаемый способ позволяет вести комбинированную алмазо-абразивную и упрочняющую обработку неполных сферических поверхностей в двух режимах:

- в режиме последовательного выполнения переходов алмазо-абразивной обработки и поверхностного пластического деформирования - упрочнение;

- в режиме одновременного выполнения переходов алмазо-абразивной обработки и поверхностного пластического деформирования - упрочнения.

Каждый из этих режимов имеет свои достоинства и недостатки, которые выявляются экспериментальным путем. Однако можно отметить, что последовательное выполнение переходов позволяет добиться желаемого результата по шероховатости, глубине и степени упрочнения обрабатываемой сферической поверхности, но с большой затратой времени и низкой производительностью по сравнению с режимом одновременного выполнения переходов. Последовательная обработка производится при максимальных режимах вначале шлифованием, а затем упрочнением.

Одновременное выполнение шлифования и поверхностного пластического деформирования производится при минимальных режимах.

Экспериментальная обработка показала, что параметр шероховатости обработанных неполных сферических поверхностей уменьшился до значения Ra=0,32...0,63 мкм при исходном - Ra=3,2...6,3 мкм, производительность повысилась более чем в три раза по сравнению с традиционным шлифованием и последующем обкатыванием на двух разных станках.

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 способом предельная величина шероховатости составляет Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 4 раза.

Глубина упрочненного слоя 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 способом 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, шлифованного и упрочненного предлагаемым способом, проведены экспериментальные исследования обработки автомобильного шарового пальца способом комбинированной алмазо-упрочняющей обработки. Заготовку пальца шарового верхнего 2101-2904187, установленную в специальном электромеханическом приспособлении, шлифовали и упрочняли на станке мод. 16К20. Заготовка изготовлена из стали 40Х ГОСТ 1050-74. Обрабатывали сферу диаметром 32,7±0,1; исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,63; алмазным инструментом АСВ 200/160-100/80 100%, связка металлическая М5, и деформирующим инструментом в виде кольца из твердого сплава ВК8 с цилиндрической винтовой пружиной, изготовленной из термообработанной стали марки 65Г, рабочая поверхность деформирующего инструмента, выполненного в виде кольца пружины, полировалась до Ra=0,08...0,16 мкм.

Обрабатывали сферу заготовки на следующих режимах: скорость вращения алмазного инструмента V_AA=5,13 м/с (n_з=3000 мин^-1); скорость вращения заготовки V_з=10 м/мин (n_з=100 мин^-1); скорость упрочнения V_y=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 P_ст≥25...40 кН; глубина слоя повышенной твердости составляла 0,15...0,20 мм, смазывающе-охлаждающей жидкостью служил сульфофрезол (5%-ная эмульсия).

Требуемая шероховатость и точность сферической поверхности была достигнута за Т_м=0,7 мин (против Т_м ^баз=2,75 мин по базовому варианту при традиционной обработке на шлифовальном станке с последующем обкатывании на токарном станке специальным обкатником 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.

Статическая нагрузка, создаваемая самоцентрирующим комбинированным инструментом, благоприятно сказывается на условиях работы алмазного и упрочняющего инструментов, выполненных в виде колец. Самоцентрирование приводит к более равномерному распределению нагрузки на алмазный и деформирующий инструменты - кольца и облегчает формирование упрочняемой поверхности. При наложении статической нагрузки алмазоабразивная и деформирующая поверхность инструментов - колец изнашивается одинаково по всему диаметру d, что способствует увеличению общей стойкости инструментов.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности алмазо-абразивной обработки и ППД благодаря использованию самоцентрирующих шлифовального и деформирующего инструментов - колец, позволяющих весьма просто управлять глубиной срезаемого и упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, а также повышает качество, точность и производительность обработки путем самоустановки инструментов на сферической поверхности обрабатываемой заготовки.

Комбинированный алмазоабразивный и упрочняющий способ позволяют добиться не только требуемой шероховатости поверхности, но и возможности получить упрочненную структуру поверхностного слоя с повышенной износостойкостью, что обуславливается его высокой твердостью и прочностью. Сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое благоприятно влияют на повышение контактной прочности. Кроме того, износостойкость повышается за счет образования после совместной алмазо-абразивной и упрочняющей обработки большей несущей способности профиля, чем после раздельной абразивной и упрочняющей обработки, что уменьшает время приработки.

Источники информации

1. Патент РФ 1342708 А1, В24В 39/04; 07.10.1987 - прототип.

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к комбинированной алмазоабразивной и отделочно-упрочняющей обработке заготовок с неполной сферической поверхностью. Сообщают вращательное движение заготовке. Производят шлифование заготовки алмазо-абразивным инструментом. Затем осуществляют упрочняющую обработку заготовки вращающимся деформирующим инструментом. Алмазоабразивный инструмент выполнен в виде кольца с внутренней конической поверхностью, на которой нанесен алмазоабразивный слой, и установлен на торце своей винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой закреплен на шпинделе. Деформирующий инструмент выполнен в виде кольца с торовой внутренней поверхностью и установлен на одном торце своей винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой закреплен на своем шпинделе. При этом алмазоабразивный и деформирующий инструменты устанавливают противоположно друг к другу относительно заготовки и под углом к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр ее сферической поверхности. Обеспечивают контакт алмазо-абразивного и деформирующего инструментов с обрабатываемой поверхностью заготовки по окружностям, плоскости которых перпендикулярны, соответственно, продольным осям винтовых цилиндрических пружин алмазоабразивного и деформирующего инструментов. В результате расширяются технологические возможности, повышается качество и точность обработки. 4 ил.

Способ комбинированной алмазоабразивной и упрочняющей обработки заготовок с неполной сферической поверхностью, включающий сообщение вращательного движения заготовке и вращательного движения и статической нагрузки деформирующему инструменту для осуществления упрочняющей обработки заготовки, отличающийся тем, что перед упрочняющей обработкой заготовки производят ее шлифование алмазоабразивным инструментом, выполненным в виде кольца с внутренней конической поверхностью, на которой нанесен алмазоабразивный слой и установленным на торце своей винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой навернут и жестко закреплен на шпинделе, используют деформирующий инструмент, выполненный в виде кольца с торовой внутренней поверхностью и установленный на одном торце своей винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой навернут и жестко закреплен на своем шпинделе, при этом устанавливают алмазоабразивный и деформирующий инструменты противоположно друг к другу относительно заготовки и под углом α, град, к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр ее сферической поверхности, обеспечивают контакт алмазоабразивного и деформирующего инструментов с обрабатываемой поверхностью заготовки по окружностям диаметром d, мм, плоскости которых перпендикулярны, соответственно, продольным осям винтовых цилиндрических пружин алмазоабразивного и деформирующего инструментов, упомянутый диаметр d определяют по формуле

где R - радиус обрабатываемой сферической поверхности заготовки, мм;

H, h - размеры, определяющие неполную сферическую поверхность заготовки, мм.