УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО ОБКАТЫВАНИЯ ВАЛОВ Российский патент 2009 года по МПК B24B39/04 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке поверхностным пластическим деформированием (ППД) нежестких валов с цилиндрическими поверхностями соосных оси и со смещенной осью (эксцентриков), а также винтов, например, винтовых насосов с большим шагом.

Известно трехроликовое приспособление для обкатывания нежестких валов, состоящее из державки с роликами, шарнирно соединенная 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 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 [2].

Недостатком известного устройства является узкая специализация и невозможность обрабатывать винтов с другими типоразмерами, невозможность регулировки усилия обкатывания, предопределяющее глубину упрочненного слоя и степень упрочнения.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей оснастки путем обеспечения обработки обкатыванием широкой номенклатуры нежестких валов с цилиндрическими поверхностями соосных оси и со смещенной осью (эксцентриков), винтовых поверхностей винтов с большим шагом, а также снижение себестоимости, повышение производительности и улучшение качества изготовления, благодаря использованию предлагаемого устройства, позволяющее осуществить статико-импульсное обкатывание многоэлементным деформирующим инструментом на том же станке, на котором производилась предварительная черновая обработка поверхности заготовки.

Поставленная задача решается путем использования предлагаемого устройства для статико-импульсного обкатывания валов, состоящее 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, подвижно установленные между дисками, при этом деформирующие элементы выполнены в виде витков стальной винтовой цилиндрической пружины из проволоки круглого сечения, установленной на двух охватывающих обрабатываемую заготовку 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 представлена схема обработки и конструкция устройства для статико-импульсного обкатывания нежестких валов 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; на фиг.6 - элемент Е на фиг.1, где показано сопряжение деформирующих элементов, закрепленных в коромысле, с обрабатываемой заготовкой.

Предлагаемое устройство предназначено для статико-импульсного обкатывания нежестких валов, имеющих цилиндрические поверхности соосных оси и со смещенной осью (эксцентриков), а также винтов с большим шагом широкой номенклатуры.

При обработке предлагаемым устройством заготовке вала 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 первого диска 1 с помощью распорных втулок 4 и винтов 5.

Деформирующие элементы выполнены в виде витков 6 стальной винтовой цилиндрической пружины из проволоки круглого сечения, установленных на двух охватывающих обрабатываемую заготовку 7 коромыслах 8 и 9. С этой целью коромысла 8 и 9 выполнены в виде полудуг, на внутренней поверхности которых в пазах крепятся витки 6 пружины. Витки расположены в пазах, которые выполнены в коромыслах под острым углом к продольной оси заготовки, равным углу наклона витков пружины. Форма и размеры пазов являются ответными виткам пружины, а глубина их более диаметра проволоки пружины. Закрепление витков может быть осуществлено чеканкой (см. фиг.6) либо механически - с помощью планки, прикрученной винтами, однако, жесткое закрепление, например сваркой или пайкой предпочтительнее и позволяет получать стабильное качество обработки.

Одно из коромысел, например, 8 установлено жестко с помощью оси 10 и штифта 11, например, на нижнем рычаге 12, а другое коромысло 9 установлено шарнирно с помощью оси 13 на верхнем рычаге 14.

Коромысло 9 имеет возможность качаться относительно своей оси 13. Коромысло 9 с деформирующими элементами в виде витков пружины 6 служит прижимным узлом, а коромысло 8 в сборе с деформирующими витками служит направляющим узлом. Это позволяет каждому коромыслу с витками постоянно находиться в контакте с обрабатываемой поверхностью и иметь стабильную распределенную нагрузку на каждый из витков, независимо от их местоположения на обрабатываемой поверхности.

Таким образом, две пружины с деформирующими витками 6 охватывают обкатываемую поверхность в поперечном сечении, равномерно располагаясь, друг относительно друга. При таком расположении, с условием качания одного коромысла, витки хорошо отслеживают обкатываемую поверхность, 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 горизонтально 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 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, упираясь в площадку 20.

Предлагаемое устройство имеет возможность обкатывать различные поверхности в двух режимах: в режиме постоянного нагружения деформирующих элементов 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 витках 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 витков с заготовкой, освобождая ее от действия нагрузки.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем.

Устройство предназначено для финишной обработки поверхностным пластическим деформированием - обкатыванием деталей типа валов, для чего устройство устанавливают, например в резцедержатель токарного станка, и пропускают через центральное отверстие дисков специальный удлиненный вращающийся центр задней бабки (не показан). Заготовку вала закрепляют в патроне шпинделя передней бабки и поджимают удлиненным центром задней бабки. Заготовки обрабатываемого вала 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 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 не более - 0,01...0,08 мм/об.

В процессе обработки коромысла направляют рычаги по поверхности вала, обеспечивая постоянный гарантированный контакт деформирующих витков с поверхностью детали. Рычаги совершают планетарное движение, опираясь одним концом на неподвижную опору - подшипники, если обрабатывается эксцентричный вал. Диски воспринимают осевые силы, возникающие в процессе обработки, от рычагов, тем самым, располагая деформирующие витки нормально к оси заготовки.

Сущность процесса заключается в том, что деформирующие витки инструмента устанавливаются по внутреннему диаметру D_И, который меньше, чем диаметр обрабатываемой заготовки D_З, определяемому по формуле:

D_И=D_З-2h,

где h - натяг, равный 0,01...0,5 мм.

Благодаря натягу часть витка, контактирующего с заготовкой, смещается в радиальном направлении и виток из цилиндрического превращается в эллипс. Деформирующие витки под действием статической нагрузки производят выглаживающее действие, а под действием мгновенной импульсной нагрузки пластически деформируют обрабатываемую поверхность.

В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повышается до R_a=0,1...0,4 мкм при исходном значении R_a=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.

Предварительная обработка заготовки: шлифование до значения параметра шероховатости R_a=0,4...1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью R_a=3,2 мкм.

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 валы; 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 витки пружины 6. 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. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки вала, который имел следующие размеры: общая длина - 1292 мм, длина обрабатываемой части - 1200 мм, диаметр поперечного сечения вала - ⊘27^-0,05 мм, шероховатость R_a=0,4 мкм; 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, диаметр пружины и проволоки, из которой навиты деформирующие витки 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 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 обработки 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 обработки 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 раз.

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 поверхностей вращения 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. №2.

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.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к обработке поверхностным пластическим деформированием. Устройство содержит два диска с центральными отверстиями, один из которых имеет Г-образную державку, а другой - жестко закреплен на торце первого диска и деформирующие элементы, подвижно установленные между дисками. Деформирующие элементы выполнены в виде витков стальной винтовой цилиндрической пружины из проволоки круглого сечения, установленной на двух охватывающих обрабатываемую заготовку коромыслах, которые установлены на двух рычагах. Рычаги шарнирно соединены друг с другом с помощью оси, установленной на одном конце рычагов, и подвижно установлены горизонтально между дисками один над другим. Нижний рычаг серединой оперт на наружное кольцо подшипника, установленного между дисками и сидящего на оси. На другом свободном конце нижнего рычага закреплены гидроударник, импульсно воздействующий на свободный конец верхнего рычага, и нагрузочная пружина. В результате расширяются технологические возможности, повышается производительность обработки, обеспечивается ее высокое качество и снижается себестоимость. 6 ил.

Устройство для статико-импульсного обкатывания валов, содержащее два диска с центральными отверстиями, один из которых имеет Г-образную державку для крепления устройства на суппорте станка, а другой диск жестко закреплен на торце первого диска с помощью распорных втулок и винтов, и деформирующие элементы, подвижно установленные между дисками, отличающееся тем, что деформирующие элементы выполнены в виде витков стальной винтовой цилиндрической пружины из проволоки круглого сечения, установленной на двух охватывающих обрабатываемую заготовку коромыслах, последние установлены одно жестко, а другое шарнирно на двух рычагах, которые шарнирно соединены друг с другом с помощью оси, установленной на одном конце рычагов, и подвижно установлены горизонтально между дисками один над другим так, что серединой нижний рычаг оперт 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.