СПОСОБ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО ОБКАТЫВАНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС Российский патент 2009 года по МПК B21H5/00 B24B39/00 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам отделочно-упрочняющей обработки заготовок из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием в холодном состоянии со статико-импульсным нагруженном инструмента - накатника.

Известен способ, осуществляемый на специальном станке мод. Ст-1071, изгот. ЗИЛ [1] для поверхностного пластического деформирования, упрочнения и калибрования зубчатых колес, в котором три накатника, выполненные в виде закаленных эталонных зубчатых колес, расположены под углом 120° один к другому, с определенным статическим усилием прижимаются к сырой заготовке обрабатываемого зубчатого колеса и обкатываются с ней. Одно эталонное зубчатое колесо является ведущим и имеет принудительное вращение. Заготовка получает вращение от ведущего эталонного колеса, а два других эталонных колеса - от заготовки [2].

Известный способ отличается недостаточной эффективностью процесса обработки, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, ограниченными возможностями регулирования шероховатости поверхности, а также ограниченными технологическими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей за счет совмещения обработки поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагруженном обрабатываемой поверхности и новых конструкций инструментов, позволяющих управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности, а также повышать качество обрабатываемой поверхности и производительность обработки.

Поставленная задача решается предлагаемым способом статико-импульсного обкатывания, включающим сообщение возвратно-вращательного движения заготовке зубчатого колеса, находящегося между тремя эталонными закаленными зубчатыми колесами-накатниками, расположенными под углом 120° один к другому и охватывающими заготовку, один из которых является ведущим и имеет индивидуальный привод принудительного вращения, и движение радиальной подачи, направленной на сближение заготовки с накатниками под определенным статическим усилием Р_СТ прижатия, развиваемым гидравлическим генератором импульсов, воздействующим на другой накатник, причем дополнительно к этому накатнику прикладывают P_ИМ импульсную нагрузку от гидравлического генератора импульсов, при этом наружная рабочая поверхность зубьев одного накатника выполнена из стальной проволоки круглого сечения, отрезки которой установлены вдоль зуба и закреплены на торцах зубьев накатника, кроме того, торцы зубьев выполнены в виде планок и спрофилированы по форме зуба, а наружная рабочая поверхность зубьев другого накатника выполнена из стальной проволоки круглого сечения, которая изогнута и спрофилирована по форме зубьев, набрана в пакет, который закреплен на ступице таким образом, что прутки проволоки расположены поперек направления зуба.

Особенности способа поясняются чертежами.

На фиг.1 представлена схема обкатывания по предлагаемому способу поверхностного пластического деформирования со статико-импульсным нагружением рабочей зубчатой поверхности заготовки - зубчатого колеса; на фиг.2 - зуб эталонного зубчатого колеса-накатника, изготовленного из прутков проволоки, расположенных вдоль зуба; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - вид по В на фиг.2; на фиг.6 - зуб эталонного зубчатого колеса-накатника, изготовленного из прутков проволоки, расположенных поперек зуба; на фиг.7 - вид по Г на фиг.6; на фиг.8 - сечение Д-Д на фиг.6; на фиг.9 - сечение Е-Е на фиг.6; на фиг.10 - схема зубчатого зацепления заготовки с зубчатым накатником, изготовленным из прутков проволоки, расположенных поперек зуба.

Предлагаемый способ предназначен для поверхностного пластического деформирования (ППД), упрочнения и калибрования рабочей поверхности зубчатых колес 1 с использованием постоянной статической Р_СТ и периодической импульсной нагрузки Рим на обкатывающие инструменты-накатники в виде закаленных эталонных зубчатых колес 2, 3 и 4 в количестве не менее трех штук.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, для ППД содержит три накатника, выполненные в виде закаленных эталонных зубчатых колес 2, 3 и 4, расположенных под углом 120° один к другому и охватывающих заготовку 1 обрабатываемого зубчатого колеса. Зубья накатников по конструкции отличаются друг от друга.

Одно эталонное зубчатое колесо-накатник, например поз.3 (см. фиг.1), имеет индивидуальный привод вращения (не показан) и является ведущим для принудительного вращения заготовки 1 и других эталонных колес-накатников 2 и 4. Этот накатник 3 имеет зубья с гладкой рабочей закаленной зубчатой поверхностью, как в традиционных конструкциях [1, 2].

Другое эталонное колесо-накатник 2 снабжено устройством 5 для статического прижатия с усилием Р_СТ к заготовке 1 обрабатываемого зубчатого колеса и периодического импульсного нагружения Р_ИМ с помощью гидравлического генератора импульсов [ГГИ] 6 [3-5].

Наружная рабочая поверхность зубьев эталонного колеса-накатника 2 выполнена из стальной проволоки круглого сечения, отрезки 7 которой установлены вдоль зуба и закреплены на торцах зубьев эталонного колеса, при этом торцы выполнены в виде планок 8, спрофилированных по форме зуба с учетом диаметра отрезков 7 проволоки (см. фиг.2-5).

Наружная рабочая поверхность зубьев эталонного колеса-накатника 4 выполнена из стальной проволоки круглого сечения, прутки 9 которой изогнуты и спрофилированы по форме зуба, набраны в пакет, который закреплен на ступице 10 таким образом, что прутки 9 проволоки расположены поперек направления зуба (см. фиг.6-9). Поперечные прутки 9 в пакете скреплены с помощью точечной сварки продольными прутками 11 проволоки с целью ужесточения конструкции зубьев. Пакет из прутков 9 надевается на гладкую ступицу 10 колеса-накатника 4 и крепится на ней, например, с помощью точечной сварки.

Зубчатое колесо-накатник 2 крепится к волноводу 12, который установлен в гидроцилиндре 6 ГГИ [3-5] и контактирует с бойком 13.

В качестве механизма статического и импульсного нагружения эталонных колес-накатников 2, 3 и 4 применяется гидравлический генератор импульсов (ГГИ), позволяющий плавно изменять величину и частоту пульсации нагрузки в зависимости от требуемой глубины наклепа и необходимого качества поверхности. Величина статической силы Р_СТ деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала заготовки зубчатого колеса 1.

Импульсное нагружение Р_ИМ осуществляется посредством удара бойка 13 по торцу волновода 12, на котором закреплено эталонное колесо-накатник 2.

Предлагаемый способ предусматривает возможность обкатывать зубчатые поверхности в двух режимах: в режиме постоянного нагружения Р_СТ деформирующих колес-накатников, когда не работает гидроударник, и в режиме ударно-импульсного Р_ИМ обкатывания.

Режим ударно-импульсного обкатывания расширяет технологические возможности способа и позволяет оптимизировать подбор параметров упрочняющей обработки зубчатой поверхности.

Работа по предлагаемому способу заключается в следующем.

Способ предназначен для финишной обработки поверхностным пластическим деформированием-обкатыванием зубчатых колес. Заготовку зубчатого колеса устанавливают на эталонные колеса-накатники 3 и 4 и поджимают колесом-накатником 2. Заготовка обрабатываемого колеса получает вращательное движение V_З от колеса-накатника 3, которое принудительно вращается от индивидуального привода (не показан). Скорость вращения заготовки производится в одном и другом направлении и задают в зависимости от требуемого качества, производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость составляет 30...40 м/мин.

В процессе обработки зубчатой поверхности заготовки колеса деформирующими зубчатыми накатниками, вращающимися в процессе обкатывания от ведущего колеса-накатника 3, обеспечивается постоянный гарантированный контакт накатников с обрабатываемой зубчатой поверхностью за счет нажимного колеса-накатника 2, которое передает усилия Р_СТ и Р_ИМ от ГГИ. При этом деформирующие колеса - накатники 2 и 4 самоустанавливаются за счет прогибания боковых сторон зубьев и принимают форму зуба заготовки, увеличивая площадь контакта (см. фиг.10).

Сущность процесса заключается в том, что зубья колес-накатников 2 и 4 с деформирующими элементами на боковых сторонах, выполненные из прутков проволоки, изготовлены так, что толщина зуба по делительному диаметру S_D больше толщины зуба по делительному диаметру обкатываемой заготовки колеса на двойную величину натяга, принимаемой 0,1...1,0 мм.

Предлагаемый способ, реализуемый устройством с колесами-накатниками, имеющими гладкую рабочую поверхность зубьев, поз.3, упругую рабочую поверхность зубьев, изготовленную из прутков проволоки, расположенных поперек зуба, поз.4, и упругую рабочую поверхность зубьев, изготовленную из прутков проволоки, расположенных вдоль зуба, поз.2, позволяют эффективно обкатывать зубчатые поверхности, совмещая предварительный, получистовой и чистовой переходы. За счет этого сокращается машинное время обработки, увеличивается производительность, достигается более высокое качество обработки.

Ширина зубчатого венца накатников перекрывает ширину венца обрабатываемых колес; зуб накатников для компенсации бокового зазора сделан толще. По мере износа колес-накатников их несколько раз перешлифовывают.

Прутки 7 накатника 2 в качестве деформирующих элементов при обкатывании оставляют следы сглаживания шероховатостей поверхности и упрочнение поверхностного слоя металла параллельные направлению зуба. Прутки 9 накатника 4 в качестве деформирующих элементов при обкатывании оставляют следы сглаживания шероховатостей и упрочнение поверхностного слоя металла поперек направления зуба. В процессе обкатывания накатником 3 с гладкой рабочей зубчатой поверхностью происходит калибрование, сглаживание шероховатостей и упрочнение поверхностного слоя металла по всему профилю зуба.

Работа по предлагаемому способу заключается в следующем.

В отличие от шевингования окончательное обкатывание профиля зубьев осуществляется без снятия стружки путем пластического деформирования металла в холодном состоянии. В процессе обработки обкатыванием заготовки с предварительно обработанными зубьями оси вращения трех накатников располагают параллельно оси заготовки. Вращающийся от заготовки накатник 2 перемещается к заготовке и при достижении беззазорного зацепления начинает процесс прикатки под определенным усилием. Расстояние между осями накатника и детали постепенно уменьшается до получения требуемого размера зубьев заготовки колеса. Во время прикатывания на зубьях обрабатываемого колеса и накатника имеет место взаимное скольжение, которое вызывает на сторонах зубьев колеса сдвиг металла.

Деформирующие прутки на 2 и 4 накатниках под действием статической нагрузки Р_СТ производят выглаживающее действие, а под действием мгновенной импульсной нагрузки Р_ИМ пластически деформируют обрабатываемую поверхность.

В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,1...0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8...3,2 мкм. Твердость поверхности увеличивается на 30...80% при глубине наклепанного слоя 0,3...3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 350...750 мПа.

Достоинствами предлагаемого способа являются: уменьшение погрешности предшествующей обработки; многоэлементность устройства позволяет отказаться от многопроходности обработки, за счет чего достигается более высокое качество обработки за минимальное количество проходов; 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 ГГИ, волновод которого воздействует на накатник 2. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы деформации, которая интенсифицирует процесс поверхностного пластического деформирования и упрочняет поверхностный слой обрабатываемой поверхности. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструмента.

Пример. Обкатывали по предлагаемому способу цилиндрические зубчатые колеса (z=24: m_n=2,5 мм; β=39 31') на обкатном устройстве с тремя накатниками (конструкции их см. выше) с использованием ГГИ [3-5]. Колеса-нактники были изготовлены из стали Р6М5 и закалены до твердости HRC 60...63; зубья шлифовали. Обкатывание производили по приведенным в таблице 1 режимам.

1. Рекомендуемая величина давления и время обкатки для закаленных зубчатых колесЧисло зубьев обрабатываемого колеса13...1516...1819...2122...2425...2728...3031...38Время обкатывания, сек581012151520Суммарное давление Р_СТ + Р_ИМ, Н.101020406080100

По сравнению с шевингованием обкатывание по предлагаемому способу позволило увеличить производительность в 4-5 раз, уменьшить параметр шероховатости поверхности на профилях зубьев до Ra=0,32 мкм, снизить уровень звукового давления на 2-3 дБ, повысить стабильность размеров зубчатого зацепления и качество. Стойкость накатников составляет ˜25000 деталей, время обкатки колеса - 15 с. Зубья прикатанных колес во время термической обработки вследствие более однородной структуры поверхностных слоев деформировались меньше, чем шевингованные. Точность зубчатых колес перед обкатыванием должна быть выше, а припуск на сторону зуба меньше, чем перед шевингованием, наполовину.

Для повышения шероховатости поверхности зубьев и для предотвращения задиров применяют охлаждающую жидкость, состоящую из 4 частей керосина и одной части машинного масла.

В процессе обкатывания происходит сглаживание шероховатостей - следов обработки зуба заготовки резанием и упрочнение поверхностного слоя металла по всему профилю зуба. При этом твердозакаленные, тщательно отделанные с высокой точностью зубья эталонных колес-накатников калибруют зубья заготовки по профилю и размерам. Исправление профиля и размеров зуба заготовки осуществляется в небольших пределах, главным образом за счет смятия шероховатостей исходной поверхности и выравнивания микропрофиля. Поэтому в большинстве случаев специальный припуск на калибрование не оставляется. Так, изменение толщины зуба стального колеса с модулем m=2 мм, предварительно нарезанного червячной фрезой с шероховатостью поверхности Ra=2,5...5 мкм, находится в пределах 0,02...0,03 мм

Источники информации

1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1 / Под ред В.М.Кована. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машгиз (ГНТИМЛ), 1963, с.409-410, фиг.302.

2. Шнейдер Ю.Г. Холодная бесштамповая обработка точных деталей давлением - М.: МАШГИЗ, 1960, с.236-238.

3. Патент РФ 2098259, МКИ⁶ В24В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. №96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. №34.

4. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.

5. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. №34.

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к способам статико-импульсного обкатывания зубчатых колес. Используют устройство, содержащее три накатника, выполненные в виде закаленных эталонных зубчатых колес, расположенных под углом 120° один к другому. Одно эталонное зубчатое колесо имеет индивидуальный привод вращения и является ведущим для принудительного вращения заготовки. Осуществляют воздействие на заготовку со статическим усилием прижатия и прикладывают к ней импульсную нагрузку от гидравлического генератора импульсов, воздействующего на другое зубчатое колесо-накатник. Наружная рабочая поверхность зубьев одного эталонного колеса выполнена из стальной проволоки круглого сечения, отрезки которой установлены вдоль зуба и закреплены на торцах зубьев эталонного колеса. Наружная рабочая поверхность зубьев другого эталонного колеса выполнена из стальной проволоки круглого сечения, которая изогнута и спрофилирована по форме зубьев и набрана в пакет, который закреплен на ступице таким образом, что прутки проволоки расположены поперек направления зуба. В результате чего увеличивается производительность, уменьшается параметр шероховатости поверхности на профилях зубьев, снижается уровень звукового давления при обработке и повышается качество. 10 ил. 1 табл.

Способ статико-импульсного обкатывания, включающий сообщение возвратно-вращательного движения заготовке зубчатого колеса, находящегося между тремя эталонными закаленными зубчатыми колесами-накатниками, расположенными под углом 120° один к другому и охватывающими заготовку обрабатываемого зубчатого колеса, одно из которых является ведущим, принудительное вращение ведущего зубчатого колеса-накатника от индивидуального привода и осуществление движения радиальной подачи для сближения заготовки с накатниками и воздействия на нее с определенным статическим усилием прижатия Р_СТ от гидравлического генератора импульсов, воздействующего на другое зубчатое колесо-накатник, отличающийся тем, что к зубчатому колесу-накатнику, на которое воздействует гидравлический генератор импульсов, с помощью последнего дополнительно прикладывают импульсную нагрузку Р_ИМ; при этом наружная рабочая поверхность зубьев одного зубчатого колеса-накатника выполнена из стальной проволоки круглого сечения, отрезки которой установлены вдоль зуба и закреплены на торцах зубьев накатника, причем торцы зубьев выполнены в виде планок и спрофилированы по форме зуба, а наружная рабочая поверхность зубьев другого зубчатого колеса-накатника выполнена из стальной проволоки круглого сечения, которая изогнута и спрофилирована по форме зубьев, набрана в пакет, который закреплен на ступице, таким образом, что прутки проволоки расположены поперек направления зуба.