УСТРОЙСТВО ДЛЯ 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, например винтовых насосов с большим шагом, 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.

Известно трехроликовое приспособление для обкатывания нежестких валов, состоящее из державки с роликами, шарнирно соединенной с корпусом, который крепят на суппорте станка [1].

Недостатком известного приспособления 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 использование роликов с большим радиусом профиля, что отрицательно влияет на массогабаритные параметры и не всегда осуществимо.

Известно устройство для обкатывания нежестких винтов, содержащее корпус, с помощью которого устройство крепят на суппорте станка, и державку с деформирующими элементами, шарнирно соединенную с корпусом, причем оно снабжено 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, причем между дисками свободно установлена с помощью трех растяжек в виде пружин растяжения держалка, 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 [2].

Недостатками известного устройства являются узкая специализация и невозможность обрабатывать другие типоразмеры винтов, невозможность регулировки усилия обкатывания, предопределяющего 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 устройства, позволяющего осуществить статико-импульсное обкатывание на том же станке, на котором производилась предварительная черновая обработка винтовой поверхности заготовки.

Поставленная задача решается путем использования предлагаемого устройства для статико-импульсного обкатывания винтов, состоящего из двух дисков с центральными отверстиями, один из которых имеет Г-образную державку, с помощью которой устройство крепят на суппорте станка, а другой диск жестко крепится к торцу первого диска с помощью распорных втулок и винтов, и деформирующие элементы, выполненные в виде деформирующих роликов, свободно вращающихся на своих осях, которые попарно смонтированы на двух коромыслах, при этом последние установлены одно жестко, а другое шарнирно на двух рычагах, которые, в свою очередь, шарнирно с помощью оси, установленной на одном конце рычагов, соединены друг с другом и подвижно установлены горизонтально между дисками один над другим так, что серединой нижний рычаг опирается на наружное кольцо подшипника, установленного между дисками и сидящего на оси, кроме того, на другом свободном конце нижнего рычага закреплены гидроударник, импульсно воздействующий на свободный конец верхнего рычага, и нагрузочная пружина.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлены схема обработки и конструкция устройства 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.

Предлагаемое устройство предназначено 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 предлагаемым устройством заготовке винта сообщают вращательное движение V_З, а устройству с деформирующими элементами - продольную подачу S_пр.

Устройство 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 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, относительно друг друга. При таком расположении, с условием качения 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 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 закреплены 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.

Предлагаемое устройство имеет возможность обкатывать различные поверхности в двух режимах: в режиме постоянного нагружения деформирующих роликов за счет пружины, когда не работает гидроударник, и в режиме ударно-импульсного обкатывания.

Режим ударно-импульсного обкатывания расширяет технологические возможности приспособления 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 на обрабатываемую заготовку 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.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем.

Устройство предназначено для финишной обработки поверхностным пластическим деформированием - обкатыванием деталей типа винтов, например, винтов с каналовой винтовой поверхностью, для чего устройство 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. Заготовке обрабатываемого винта сообщают вращательное движение V_З. Скорость вращения заготовке задают в зависимости от требуемой производительности, конструктивных особенностей заготовки, оборудования.

Обычно скорость составляет 3...8 м/мин.

Устройству 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 деталь с продольной подачей, не равной шагу (для обработки любой винтовой поверхности известными методами 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.

Достоинствами предлагаемого устройства 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 (нежесткими считаются детали типа валов с соотношением длины к диметру более десяти, [6]) винты; 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.

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.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, 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 проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с использованием предлагаемого устройства с гидроударником мод. ДОН УПИ совм. с Кар ПТИ с энергией ударов А=250 Дж, максимальной частотой f=960 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 поджатия инструмента к обрабатываемой поверхности и ударно-импульсной нагрузки составляла Р_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 [3-5]. В предлагаемом устройстве 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 предлагаемым устройством предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 4 раза.

Импульсные нагрузки, создаваемые предлагаемым 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.

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

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить производительности 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 - прототип.

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.

4. Патент РФ №2275288, МПК В24В 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. Устройство содержит 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 выполнен из условия обеспечения импульсного воздействия на свободный конец верхнего рычага. Деформирующие элементы выполнены в виде деформирующих роликов, выполненных с возможностью свободного вращения на своих осях и 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.

Устройство для статико-импульсного обкатывания винтов на станках, 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, и деформирующие элементы, подвижно установленные между упомянутыми дисками, отличающееся тем, что оно снабжено верхним и нижним рычагами, которые подвижно установлены один над другим, расположены между дисками и шарнирно соединены друг с другом посредством оси, установленной на одном конце упомянутых рычагов, двумя коромыслами, одно из которых установлено жестко на одном рычаге, а другое - шарнирно на другом рычаге, подшипником, установленным между дисками и смонтированным на оси, и закрепленными на свободном конце нижнего рычага нагрузочной пружиной и гидроударником, который выполнен из условия обеспечения импульсного воздействия на свободный конец верхнего рычага, при этом деформирующие элементы выполнены в виде деформирующих роликов, имеющих возможность свободного вращения на своих осях и попарно смонтированных на двух указанных коромыслах, а нижний рычаг посередине оперт на наружное кольцо подшипника.