УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ АЛМАЗОАБРАЗИВНОЙ И УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ 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 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.

Известно устройство для комбинированной алмазоабразивной и упрочняющей обработки заготовок с неполной сферической поверхностью, содержащее алмазоабразивный элемент и деформирующий элемент [1].

Устройство 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 дополнительны затрат, при этом примененный не самоустанавливающийся 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 неполной сферической поверхности обрабатываемой заготовки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для комбинированной алмазоабразивной и упрочняющей обработки заготовок с неполной сферической поверхностью, содержащего алмазоабразивный элемент и деформирующий элемент, при этом оно снабжено двумя винтовыми цилиндрическими пружинами и двумя индивидуальными приводами со шпинделям и алмазоабразивный элемент выполнен в виде кольца с внутренней конической поверхностью, на которой нанесен алмазоабразивный слой, и установлен на торце винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой навернут и жестко закреплен на шпинделе индивидуального привода, деформирующий элемент выполнен в виде кольца с торовой внутренней поверхностью и установлен на торце своей винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой навернут и жестко закреплен на своем шпинделе индивидуального привода, алмазоабразивный и деформирующий элементы выполнены с возможностью контакта с обрабатываемой поверхностью заготовки по окружностям, плоскости которых перпендикулярны соответственно продольным осям винтовых цилиндрических пружин алмазоабразивного и деформирующего элементов, при этом алмазоабразивный и деформирующий элементы установлены противоположно друг к другу относительно заготовки и под углом α, град., к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр сферической поверхности последней, который определен по формуле:

где R - радиус обрабатываемой сферической поверхности заготовки, мм;

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

Сущность устройства для комбинированной алмазоабразивной и упрочняющей неполной сферической поверхности поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема комбинированной алмазоабразивной обработки с последующим поверхностным пластическим деформированием заготовки автомобильного шарового пальца с помощью предлагаемого устройства; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - расчет угла α наклона осей шпинделей алмазоабразивного и деформирующего элементов устройства.

Предлагаемое устройство служит для алмазоабразивной обработки с последующим поверхностным пластическим деформированием - упрочнением неполной 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, алмазоабразивному инструменту - вращательное движение V_AA и упрочняющему инструменту V_y, а также каждому инструменту - продольную подачу S_ПР к центру О сферической поверхности.

Предлагаемое устройство для комбинированной алмазоабразивной и 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 элементом 3.

Алмазоабразивный инструмент выполнен в виде кольца 2 с внутренней конической поверхностью, на которой нанесен алмазоабразивный слой 7. Алмазоабразивное кольцо 2 установлено 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 элемент также выполнен в виде кольца 3 с торовой внутренней поверхностью, которая контактирует с заготовкой по окружности.

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

Деформирующее кольцо 3 установлено 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 относительно центра О обрабатываемой сферы 1 и под углом α к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр сферы.

Угол α определяется 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 лыски «k» 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 неполной сферической поверхности (m+b), где m=k, определяется из формулы: (m+b)/R=sin γ и равен (m+b)=Rsin γ. Тогда превышение b=Rsin[arccos(z/R)]-k, подставляя значение k, получим b=Rsin[arccos(z/R)]-Rsin[arcos(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:

где α - угол наклона осей шпинделей 5 и 6 алмазоабразивного 2 и деформирующего 3 элементов устройства к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр сферической поверхности О, град;

R - радиус обрабатываемой сферической поверхности заготовки, мм;

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

d - диаметр окружности, по которой происходит контакт алмазоабразивного 2 и деформирующего 3 колец с обрабатывающей 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 алмазоабразивный и деформирующий инструменты 2 и 3 за счет продольной подачи S_ПР каждого из приводов устройства, 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 устройства 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, окончательно получаем формулу определения d: d={Rsin[arcos((H-R+h)/R)]-Rsin[arccos((R-h)/R)]}/

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

Пружинное соединение 8 и 9 шпинделей 5 и 6 с алмазно-абразивным 2 и деформирующим 3 инструментами - кольцами позволяет осуществить самоцентрирование и самоустановку последних на обрабатываемой заготовке 4 при случайном отклонении продольной осей шпинделей 5 и 6 от центра О обрабатываемой неполной 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 кольцом 3.

Предлагаемое устройство позволяет вести комбинированную алмазоабразивную и упрочняющую обработку неполных сферических поверхностей в двух режимах:

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

- в режиме одновременного выполнения переходов алмазоабразивной обработки и поверхностного пластического деформирования - упрочнение;

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 шлифование, а затем упрочнение. Одновременное выполнение шлифования и поверхностного пластического деформирования производится при минимальных режимах.

Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных 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 устройством предельная величина шероховатости составляет Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 4 раза. Глубина упрочненного слоя предлагаемым устройством 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 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 алмазоабразивного и упрочняющего устройства. Заготовку пальца шарового верхнего 2101-2904187, установленную в специальном электромеханическом приспособлении, шлифовали и упрочняли на станке мод. 16К20 предлагаемым устройством. 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; алмазоабразивным инструментом из алмаза АСВ 200/160-100/80 100% связка металлическая М5, деформирующим инструментов в виде кольца из твердого сплава ВК8 с цилиндрической винтовой пружиной, изготовленной из термообработанной стали марки 65Г, рабочая поверхность деформирующего 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=3000 мин^-1); скорость вращения заготовки V_з=10 м/мин (n=100 мин^-1); скорость упрочнения V_y=50 м/мин (n=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 T_м ^баз=2,75 мин по базовому варианту при традиционной обработке обкатыванием 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 устройством, 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, что способствует увеличению общей стойкости устройства.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности алмазоабразивной 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 неполной сферической поверхности обрабатываемой заготовки.

Алмазоабразивное и упрочняющее устройство позволяет 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 алмазоабразивной и упрочняющей обработки большой несущей способности профиля, чем после раздельной механической и упрочняющей обработки, что уменьшает время приработки и повышает производительность.

Источники информации, принятые во внимание

1. Патент РФ 1342708, 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. Устройство содержит алмазоабразивный элемент, деформирующий элемент, две винтовые цилиндрические пружины и два индивидуальных привода со шпинделями. Алмазоабразивный элемент выполнен в виде кольца с внутренней конической поверхностью, на которой нанесен алмазоабразивный слой, и установлен на торце винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой закреплен на шпинделе индивидуального привода. Деформирующий элемент выполнен в виде кольца с торовой внутренней поверхностью и установлен на торце своей винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой закреплен на своем шпинделе индивидуального привода. Алмазоабразивный и деформирующий элементы выполнены с возможностью контакта с обрабатываемой поверхностью заготовки по окружностям, плоскости которых перпендикулярны соответственно продольным осям винтовых цилиндрических пружин алмазоабразивного и деформирующего элементов. Алмазоабразивный и деформирующий элементы установлены противоположно друг к другу относительно заготовки и под углом к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр сферической поверхности последней. В результате расширяются технологические возможности, повышается качество и точность обработки. 4 ил.

Устройство для комбинированной алмазоабразивной и упрочняющей обработки заготовок с неполной сферической поверхностью, содержащее алмазоабразивный элемент и деформирующий элемент, отличающееся тем, что оно снабжено двумя винтовыми цилиндрическими пружинами и двумя индивидуальными приводами со шпинделями, алмазоабразивный элемент выполнен в виде кольца с внутренней конической поверхностью, на которой нанесен алмазоабразивный слой, и установлен на торце винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой навернут и жестко закреплен на шпинделе индивидуального привода, деформирующий элемент выполнен в виде кольца с торовой внутренней поверхностью и установлен на торце своей винтовой цилиндрической пружины, второй торец которой навернут и жестко закреплен на своем шпинделе индивидуального привода, алмазоабразивный и деформирующий элементы выполнены с возможностью контакта с обрабатываемой поверхностью заготовки по окружностям, плоскости которых перпендикулярны, соответственно, продольным осям винтовых цилиндрических пружин алмазоабразивного и деформирующего элементов, при этом алмазоабразивный и деформирующий элементы установлены противоположно друг к другу относительно заготовки и под углом α, град, к плоскости, перпендикулярной продольной оси заготовки и проходящей через центр сферической поверхности последней, который определен по формуле

где R - радиус обрабатываемой сферической поверхности заготовки, мм;

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