СПОСОБ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО ОБКАТЫВАНИЯ ВИНТОВ Российский патент 2008 года по МПК B24B39/04 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке поверхностным пластическим деформированием (ППД) винтов, эксцентриков валов, для обкатывания сложных кулачковых поверхностей и РК-профилей.

Известен способ обкатывания нежестких валов трехроликовым приспособлением, состоящим из державки с роликами, шарнирно соединенной с корпусом, который крепят на суппорте станка [1].

Недостатком известного способа является ограниченность применения, узкая специализация (только для цилиндрических поверхностей) и низкая производительность, при этом для получения высокого качества необходимо создание больших рабочих усилий, а это требует использования роликов с большим радиусом профиля, что отрицательно влияет на массогабаритные параметры и не всегда осуществимо.

Известен способ для обкатывания нежестких винтов, преимущественно с большим шагом, при котором обрабатываемой заготовке сообщают вращательное движение, а деформирующему инструменту, содержащему корпус и державку с деформирующими элементами, подвижно соединенную с корпусом, сообщают движение продольной подачи, причем обкатывание осуществляется несколькими деформирующими элементами, при этом инструмент снабжен двумя дисками с центральными отверстиями, один из которых жестко соединен с корпусом, а другой диск жестко крепится к торцу первого диска с помощью распорных втулок и винтов, при этом между дисками свободно установлена с помощью трех растяжек в виде пружин растяжения державка, несущая деформирующие элементы, с кольцами, которые вставлены в торцовые пазы державки и ограничивают в осевом направлении деформирующие элементы, свободно расположенные в желобе отверстия державки, при этом для предотвращения вращения державки она снабжена рукояткой, расположенной на периферии, которая опирается на ролик с осью, закрепленной между дисками, кроме того, упомянутые растяжки - пружины закреплены на распорных втулках [3].

Недостатком известного способа [3] и устройства [2] является узкая специализация и невозможность обрабатывать другие типоразмеры винтов, невозможность регулирования усилия обкатывания, предопределяющее глубину упрочненного слоя и степень упрочнения.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей оснастки путем обеспечения обработки обкатыванием винтовых поверхностей винтов с большим шагом, а также широкой номенклатуры цилиндрических поверхностей, соосных оси, и со смещенной осью (эксцентриков), для каналовых винтовых поверхностей, имеющих различный диаметр, шаг и диаметр образующей окружности, для обкатывания сложных кулачковых поверхностей и для обкатывания РК-профилей, а также снижение себестоимости, повышение производительности и улучшение качества изготовления благодаря использованию предлагаемого способа, позволяющего осуществить статико-импульсное обкатывание на том же станке, на котором производилась предварительная черновая обработка винтовой поверхности заготовки.

Поставленная задача решается путем использования предлагаемого способа обкатывания винтов на станках, включающего сообщение заготовке вращательного движения, а устройству обкатывания - движение продольной подачи, при этом используют устройство обкатывания, содержащее два диска с центральными отверстиями, один из которых имеет Г-образную державку для закрепления устройства на суппорте станка, а другой диск жестко прикреплен к торцу первого диска посредством распорных втулок и винтов, верхний и нижний рычаги, подвижно установленные один над другим, расположенные между дисками и шарнирно соединенные друг с другом посредством оси, установленной на одном конце упомянутых рычагов, два коромысла, одно из которых установлено жестко на одном рычаге, а другое - шарнирно на другом рычаге, деформирующие элементы в виде деформирующих роликов, свободно вращающиеся на своих осях, попарно смонтированные на двух указанных коромыслах и подвижно установленные между упомянутыми дисками, подшипник, установленный между дисками и смонтированный на оси, нагрузочную пружину и гидроударник, обеспечивающий импульсное воздействие на свободный конец верхнего рычага, нижний рычаг посередине оперт на наружное кольцо подшипника и на его свободном конце закреплены упомянутые гидроударник и нагрузочная пружина, при этом обеспечивают создание постоянно действующей статической нагрузки и импульсной нагрузки на деформирующие элементы.

Сущность способа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки и конструкция устройства, реализующего предлагаемый способ, для статико-импульсного обкатывания нежестких винтов на токарном станке, продольный разрез по А-А на фиг.2; на фиг.2 - вид сверху по Д на фиг.1; на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - вид справа по В на фиг.1; на фиг.5 - поперечный разрез по Г-Г на фиг.1.

Предлагаемый способ предназначен для статико-импульсного обкатывания винтов с большим шагом, широкой номенклатуры цилиндрических поверхностей, соосных оси, и со смещенной осью (эксцентриков), для каналовых винтовых поверхностей, имеющих различный диаметр, шаг и диаметр образующей окружности, для обкатывания сложных кулачковых поверхностей и для обкатывания РК-профилей. При обработке по предлагаемому способу заготовке винта сообщают вращательное движение V_З, а устройству с деформирующими элементами - продольную подачу S_ПР.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из двух дисков 1 и 2 с центральными отверстиями, один из которых, поз.1, имеет Г-образную державку 3, с помощью которой устройство крепят на суппорте станка (не показан).

Другой диск 2 жестко крепится к торцу первого диска 1 с помощью распорных втулок 4 и винтов 5.

Деформирующие элементы выполнены в виде деформирующих роликов 6, которые свободно вращаются на своих осях 7. Деформирующие ролики 6 попарно смонтированы на двух коромыслах 8 и 9, при этом коромысло 8 установлено жестко с помощью оси 10 и штифта 11 на рычаге 12, а другое коромысло 9 установлено шарнирно с помощью оси 13 на рычаге 14.

Каждое из коромысел 8 и 9 имеет два паза, в которых располагаются два обкатных ролика 6, установленных по посадке с зазором на осях 7. Фиксация осей относительно рычагов осуществляется дисками 1 и 2.

Коромысло 9 имеет возможность качаться относительно своей оси 13. Коромысло 9 с деформирующими роликами служит прижимным узлом, а коромысло 8 в сборе с деформирующими роликами служит направляющим узлом. Это позволяет каждому ролику постоянно находиться в контакте с обрабатываемой винтовой поверхностью и иметь стабильную распределенную нагрузку на каждый из роликов, независимо от их местоположения на винтовой поверхности.

Таким образом, четыре ролика охватывают обкатываемую поверхность, равномерно располагаясь друг относительно друга. При таком расположении, с условием качания одного коромысла, ролики хорошо отслеживают обкатываемую поверхность практически любого профиля, перемещая рычаги относительно дисков посредством нижнего коромысла, служащего направляющим узлом.

Рычаги 12 и 14 своими концами шарнирно соединены друг с другом осью 15 и подвижно установлены один над другим между дисками 1 и 2, при этом своей серединой нижний рычаг 12 опирается на опору в виде одного или двух подшипников 16, установленных между дисками и смонтированных на оси 17. Эта опора служит для восприятия нагрузки крутящего момента и уменьшения силы трения при перемещении рычагов в их планетарном движении между дисками в момент обкатки любых поверхностей, имеющих эксцентриситет.

На свободном конце нижнего рычага 12 закреплен гидроударник 18, импульсно воздействующий на свободный конец верхнего рычага 14, и нагрузочная пружина 19. Гидроударник 18 закреплен на площадке 20, которая смонтирована на стойках 21 и 22 на свободном конце нижнего рычага 12. Выходной вал 23 гидроударника 18 осуществляет импульсную нагрузку на наковальню 24, которая установлена на свободном конце верхнего рычага 14. Выходной вал 23 гидроударника 18 смонтирован и расположен в пружине сжатия 19, которая постоянно воздействует на верхний рычаг, опираясь в площадку 20.

Предлагаемый способ применим для обкатывания различных поверхностей в двух режимах: в режиме постоянного нагружения деформирующих роликов за счет пружины, когда не работает гидроударник и в режиме ударно-импульсного обкатывания, когда работает гидроударник.

Режим ударно-импульсного обкатывания расширяет технологические возможности способа и дает возможность оптимального подбора параметров упрочняющей обработки поверхности.

Для изменения величины сжатия пружины и соответственно изменения давления на роликах в режиме статического обкатывания достаточно изменить расстояние l_П или поставить другую пружину с необходимой жесткостью.

Для установки и снятия нагрузки с обрабатываемой заготовки служит кулачок 25, шарнирно установленный в дисках 1 и 2 и имеющий рукоятку 26. Кулачок 25 при повороте рукоятки 26 на 90° относительно положения, показанного на фиг.1, раздвигает рычаги 12 и 14 и прерывает контакт деформирующих роликов с заготовкой, освобождая ее от действия нагрузки.

Обработка предлагаемым способом заключается в следующем.

Способ предназначен для финишной обработки поверхностным пластическим деформированием - обкатыванием деталей типа винтов, например винтов с каналовой винтовой поверхностью, для чего устройство с деформирующими роликами устанавливают, например, в резцедержатель токарного станка и пропускают через центральное отверстие дисков специальный удлиненный вращающийся центр задней бабки (не показан). Заготовку винта закрепляют в патроне шпинделя передней бабки и поджимают центром задней бабки. Заготовки обрабатываемого винта сообщают вращательное движение V_З. Скорость вращения заготовки задают в зависимости от требуемой производительности, конструктивных особенностей заготовки, оборудования. Обычно скорость составляет 3...8 м/мин.

Устройству с деформирующими роликами сообщают продольную подачу S_пр в одну сторону, которую определяют по формуле:

S_пр=kS₁,

где k - число деформирующих элементов;

S₁ - оптимальная подача на один деформирующий элемент, принимается для роликов не более - 0,01...0,08 мм/об.

В процессе обработки, коромысла направляют рычаги по сложной поверхности винта, обеспечивая постоянный гарантированный контакт деформирующих роликов с поверхностью детали. Рычаги совершают планетарное движение, опираясь одним концом на неподвижную опору - подшипники. Это позволяет обрабатывать заготовку с продольной подачей, не равной шагу (для обработки любой винтовой поверхности известными способами продольная подача равна шагу винтовой поверхности). Диски воспринимают осевые силы, возникающие в процессе обработки, от рычагов, тем самым, располагая деформирующие ролики нормально к оси заготовки.

Периодическую импульсную нагрузку Р_им осуществляют с помощью гидроударника 18, выходной вал 23 которого воздействует на верхний рычаг 14 и далее через коромысло 9 на деформирующие ролики 6. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы деформации, которая интенсифицирует процесс поверхностного пластического деформирования и упрочняет поверхностный слой обрабатываемой сложнофасонной поверхности. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструмента.

Достоинствами предлагаемого способа являются: уменьшение погрешности предшествующей обработки; многоэлементность устройства позволяет осуществить многопроходность обработки, за счет чего достигается более высокое качество обработки; позволяет разгрузить узлы станка от одностороннего приложения усилия и обрабатывать нежесткие винты (нежесткими считаются детали типа валов с соотношением длины к диметру более десяти, [6]); образование определенной макро- и микрогеометрической формы обработанной поверхности, уменьшение параметра шероховатости - сглаживание поверхности, изменение структуры материала за счет поверхностного наклепа и создание определенного напряженного состояния - все это благоприятно действует на износостойкость.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного по предлагаемому способу, проведены экспериментальные исследования обработки винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500, который имел следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина винтовой части - 1208 мм, диаметр поперечного сечения винта - ⊘27^-0,05 мм, эксцентриситет - 3,3 мм, шаг - 28^±0,01 мм, шероховатость R_a=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса - 5,8 кг.

Обработка по предлагаемому способу проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с помощью устройства с гидроударником мод. ДОН УПИ совм. с Кар ПТИ с энергией ударов А=250 дж, максимальной частотой f=96 мин^-1 и КПД=0,47. Значения технологических факторов (частоты ударов, радиус роликов инструмента, величина продольной 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 поджатая инструмента к обрабатываемой поверхности и ударно-импульсной нагрузки составляла P_ст≥25...40 кН; Р_им=255...400 кН. Глубина упрочненного статико-импульсной обработкой слоя в 3...4 раза выше, чем при традиционном упрочнении. Упрочненный слой при традиционной статической обработке формируется в условиях длительного действия больших статических усилий [2-5]. По предлагаемому способу 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 в предлагаемой статико-импульсной обработке значительно меньше.

Исследования напряженного состояния 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 1,2...1,4 раза больше, чем глубина наклепанного слоя, что согласуется с теорией поверхностного пластического деформирования.

Достигаемая в процессе обработки по предлагаемому способу предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 4 раза.

Импульсные нагрузки, создаваемые устройством, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы инструмента, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Импульсные нагрузки способствуют лучшему проникновению смазки в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях импульсных нагрузок резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия смазки вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, не сложное по конструкции и надежное в эксплуатации, а способ обкатывания винтовых поверхностей отличается простотой в реализации. Получаемые на поверхности упрочняемой заготовки структуры слоев обладают повышенной твердостью, а соответственно, износостойкостью и сопротивлением усталостному разрушению.

Обработка по предлагаемому способу позволяет повысить производительность обработки в 1,5...2,0 раза и обеспечить высокую точность.

Источники информации

1 Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. С.387, рис.6.

2. Патент РФ №2268134, МПК В24В 39/00. Плавающее устройство для обкатывания нежестких винтов. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Афанасьев Б.И., Катунин А.А., Фомин Д.С. Заявка 2004128667, 27.09.2004; 20.01.2006. Бюл. №02.

3. Патент РФ №2268135, МПК В24В 39/00. Способ обкатывания нежестких винтов. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Афанасьев Б.И., Катунин А.А., Фомин Д.С. Заявка 2004128668, 27.09.2004; 20.01.2006. Бюл. №02 - прототип.

4. Патент РФ №2275288, МПК В24 В 39/04. Охватывающий деформирующий инструмент. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С. Заявка 2004131325/02, 26.10.2004; 27.04.2006. Бюл. №12.

5. Патент РФ №2275289, МПК В24В 39/04. Способ поверхностного пластического деформирования охватывающими кольцами. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С. Заявка 2004131340, 26.10.2004; 27.04.2006. Бюл. №12.

6. Справочник технолога - машиностроителя. В 2-х т. T.1 / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.224...227.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к обработке поверхностным пластическим деформированием винтов. Сообщают заготовке вращательное движение, а устройству обкатывания - движение продольной подачи. Используют устройство обкатывания, содержащее два диска с центральными отверстиями, деформирующие элементы, верхний и нижний рычаги, два коромысла и закрепленные на свободном конце нижнего рычага нагрузочную пружину и гидроударник. Один из дисков имеет Г-образную державку для закрепления устройства на суппорте станка, а другой диск жестко прикреплен к торцу первого диска посредством распорных втулок и винтов. Деформирующие элементы подвижно установлены между упомянутыми дисками. Верхний и нижний рычаги подвижно установлены один над другим, расположены между дисками и шарнирно соединены друг с другом посредством оси, установленной на одном конце упомянутых рычагов. Одно из коромысел установлено жестко на одном рычаге, а другое - шарнирно на другом рычаге. Между дисками установлен подшипник. Гидроударник обеспечивает импульсное воздействие на свободный конец верхнего рычага. Деформирующие элементы выполнены в виде свободно вращающихся на своих осях деформирующих роликов, попарно смонтированных на двух указанных коромыслах. Нижний рычаг посередине оперт на наружное кольцо подшипника. В результате расширяются технологические возможности, снижается себестоимость, повышается производительность и улучшается качество обработанных деталей. 5 ил.

Способ обкатывания винтов на станках, включающий сообщение заготовке вращательного движения, а устройству обкатывания движения продольной подачи, отличающийся тем, что используют устройство обкатывания, содержащее два диска с центральными отверстиями, один из которых имеет Г-образную державку для закрепления устройства на суппорте станка, а другой диск жестко прикреплен к торцу первого диска посредством распорных втулок и винтов, верхний и нижний рычаги, подвижно установленные один над другим, расположенные между дисками и шарнирно соединенные друг с другом посредством оси, установленной на одном конце упомянутых рычагов, два коромысла, одно из которых установлено жестко на одном рычаге, а другое - шарнирно на другом рычаге, деформирующие элементы в виде деформирующих роликов, свободно вращающиеся на своих осях, попарно смонтированные на двух указанных коромыслах и подвижно установленные между упомянутыми дисками, подшипник, установленный между дисками и смонтированный на оси, нагрузочную пружину и гидроударник, обеспечивающий импульсное воздействие на свободный конец верхнего рычага, нижний рычаг посередине оперт на наружное кольцо подшипника и на его свободном конце закреплены упомянутые гидроударник и нагрузочная пружина, при этом обеспечивают создание постоянно действующей статической нагрузки и импульсной нагрузки на деформирующие элементы.