СПОСОБ ОБКАТЫВАНИЯ ВИНТОВ Российский патент 2009 года по МПК B24B39/04 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к отделочной обработке поверхностным пластическим деформированием заготовок винтов и др. деталей типа валов из сталей и сплавов и реализуемой многоэлементными деформирующими инструментами в виде винтовых пружин.

Известен способ поверхностного пластического деформирования (ППД), осуществляемый инструментом, содержащим корпус, по периферии которого в пазах жестко закреплены упругие рабочие деформирующие элементы, выполненные в виде витков, принадлежащие винтовой пружине [1].

Недостатками известного способа являются: узкие технологические возможности, низкая производительность применительно к чистовой, отделочной обработке винтов и др. деталей типа валов из-за малого пятна контакта рабочих элементов с обрабатываемой поверхностью, а также низкое качество обработки.

Известен способ ППД, реализуемый вращающимся пружинным инструментом, у которого на наружной поверхности дисковой державки закреплена свернутая в кольцо цилиндрическая пружина [2]. Отдельные витки пружины при рабочем вращении державки инструмента играют роль деформирующих элементов, которые взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью вращающейся заготовки, установленной на токарно-винторезном станке.

Недостатками известного способа являются: узкие технологические возможности, которые не позволяют обрабатывать фасонные поверхности, и низкая производительность из-за небольшого количества деформирующих элементов, одновременно участвующих в обработке, а также упрочнение на незначительную глубину.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей, заключающихся в улучшении параметра шероховатости обработанной поверхности благодаря последовательным действиям большого количества деформирующих элементов, в повышении производительности за счет увеличения пятна контакта этих элементов с обрабатываемой поверхностью и возможности применения больших подач и регулирования рабочих усилий, в снижении себестоимости процесса и удешевлении изготовления инструмента благодаря компактности и простоте конструкции, в возможности обрабатывать сложнофасонные тела вращения и нейтрализовать биения поверхности заготовки, которые отрицательно сказываются на качестве обработки, в разгрузке узлов технологической системы: станок - приспособление - инструмент - заготовка от односторонне приложенного усилия особенно при обработке нежестких заготовок.

Поставленная задача решается предлагаемым способом обкатывания винтов, включающим сообщение вращательного движения заготовке винта и продольной подачи устройству, содержащему корпус и рабочие деформирующие элементы, выполненные в виде витков винтовой цилиндрической пружины, причем перед включением продольной подачи пружине с деформирующими витками сообщают поперечную подачу и вводят в контакт с заготовкой и копиром, при этом пружина получает вращение от заготовки, так как она установлена свободно на упругой основе на оси в подшипниках корпуса, а упомянутый копир имеет форму обрабатываемого винта и сдвинут в продольном направлении на половину шага винта таким образом, что, например, впадина заготовки винта находится против выступа копира, причем копир имеет принудительное вращение от заготовки со скоростью, равной скорости заготовки, и одинакового с ней направления, кроме того, в диаметрально противоположном месте относительно копира заготовка опирается на люнет, имеющий опорный валик длиной не менее двух шагов обрабатываемого винта, при этом оси вращения валика люнета, заготовки, деформирующей пружины и копира параллельны, а межосевое расстояние А_м между заготовкой и копиром определяется по формуле

А_м=D_З+D_пр- 2h, мм,

где А_м - межосевое расстояние между заготовкой и копиром, мм;

D_З - диаметр заготовки винта, мм;

D_пр - наружный диаметр деформирующей пружины, мм;

h - натяг, необходимый для поверхностного пластического деформирования при обкатывании, мм.

Особенности обкатывания предлагаемым способом поясняются чертежами.

На фиг.1 показана схема обработки предлагаемым способом и устройство для обкатывания винтов винтовых насосов, вид сверху; на фиг.2 - поперечный разрез по А-А на фиг.1, повернуто; на фиг.3 - поперечный разрез по Б-Б на фиг.1, повернуто; на фиг.4 - продольный разрез по В-В на фиг.1; на фиг.5 - продольный разрез по В-В на фиг.1, вариант деформирующей пружины с плотно навитыми витками; на фиг.6 - схема обработки и силы, действующие на заготовку при обкатывании, поперечный разрез по Г-Г на фиг.1.

Предлагаемый способ предназначен для обработки поверхностным пластическим деформированием наружных поверхностей вращения заготовок типа валов и винтов с большим шагом, например винтов винтовых насосов, а также эксцентриковых валов и др. сложнопрофильных деталей.

Обработку выполняют на токарных, карусельных станках с сообщением вращательного движения заготовке - V₃ и движение продольной подачи -S_пр обкатывающему устройству.

Обкатывающее устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит корпус 1 в виде основания, на котором установлены рабочие деформирующие элементы, выполненные в виде витков 2 винтовой цилиндрической пружины 3.

Пружина 3 установлена на упругой основе 4, изготовленной, например, из резины методом вулканизации вместе с осью 5. Ось 5 свободно вращается в подшипниках 6 корпуса 1.

Корпус 1 с пружиной 3 установлен так, что пружина 3 расположена между обрабатываемой заготовкой 7 винта и копиром 8, причем их оси вращения параллельны. Копир 8 имеет форму обрабатываемого винта 7 и сдвинут в продольном направлении относительно заготовки 7 винта на величину t/2, равную половине шага t винта 7, таким образом, что, например, впадина заготовки винта 7 находится против выступа копира 8. Копир 8 имеет принудительное вращение от шпинделя 9, в патроне 10 которого закреплена заготовка 7. Принудительное вращение копира 8 обеспечивается, например, зубчатым зацеплением колес 11, 12 и 13. Зубчатое колесо 11 закреплено на шпинделе 9, является ведущим и через промежуточное зубчатое колесо 13 передает вращательное движение ведомому зубчатому колесу 12, которое установлено на шпинделе 14, где с помощью патрона 15 закреплен копир 8. Так как зубчатые колеса 11 и 12 имеют равное число зубьев, то скорость вращения копира 8 равна скорости вращения заготовки 7, а благодаря промежуточному зубчатому колесу 13 копир 8 имеет одинаковое с заготовкой 7 направление вращения.

В диаметрально противоположном месте относительно копира 8 заготовка 7 опирается на люнет 16, который имеет опорный валик 17 длиной не менее двух шагов (2t) обрабатываемого винта 7. Оси вращения валика 17 люнета 16, заготовки 7, деформирующей пружины 3 и копира 8 параллельны.

Межосевое расстояние А_м между заготовкой и копиром для конкретной заготовки является фиксированной величиной и будет определяться согласно фиг.2 как сумма радиусов заготовки (D_З/2) и копира (D_к/2) в поперечном сечении плюс наружный диаметр (D_пр) деформирующей пружины за вычетом двойного натяга (2h), который необходим для поверхностного пластического деформирования при обработке обкатыванием. Но так как размеры копира равны размерам обрабатываемой заготовки винта, то межосевое расстояние А_м между заготовкой и копиром равно

А_м=D_З+D_пр - 2h, мм,

где А_м - межосевое расстояние между заготовкой и копиром, мм;

D_З- диаметр заготовки винта, мм;

D_пр - наружный диаметр пружины, мм;

h - натяг, необходимый для поверхностного пластического деформирования и устанавливаемый при обкатывании, мм.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью данного устройства, которое устанавливается и закрепляется, например, на модернизированном токарном станке. Модернизация заключается в установлении:

на суппорте - корпуса с деформирующей пружиной и люнета;

на передней бабке - дополнительного шпинделя и патрона для копира и его привода;

на задней бабке - дополнительного поддерживающего центра.

Перед началом обработки заготовка 7 устанавливается и закрепляется в патроне 10 и поджимается задним центром 18. Включается главное вращательное движение обрабатываемой заготовки V_З и затем медленная поперечная подача S_поп (вверх, согласно фиг.2) корпуса с деформирующей пружиной. Поперечная подача S_поп осуществляется до тех пор, пока продольная ось деформирующей пружины не окажется в одной горизонтальной плоскости с осями заготовки и копира.

Так как межосевое расстояние А_м фиксированное, и зазор между заготовкой и копиром меньше, чем наружный диаметр пружины, то витки пружины деформируются, превращаясь из цилиндрических в эллипсные, и возникают большие статические нагрузки Р_ст, необходимые для обкатывания и воздействующие на обрабатываемую поверхность со стороны деформирующих витков пружины (см. фиг.6).

Обработка обкатыванием по всей длине винта обеспечивается включением продольной подачей S_пр деформирующей пружины вдоль заготовки. Количество продольных ходов деформирующей пружины вдоль заготовки зависит от требований:

- к шероховатости обрабатываемой поверхности;

- к величине упрочняемого слоя и степени упрочнения,

а также от материала заготовки и др. технологических требований.

Так как деформирующая пружина 3 односторонне воздействует на обрабатываемую заготовку, то люнет 16, перемещающийся вместе с деформирующей пружиной в продольном направлении, исключает одностороннее воздействие деформирующего инструмента и прогиб оси при обкатывании нежестких заготовок с большими статическими нагрузками - Р_ст, с которыми работают традиционные обкатывающие инструменты.

Необходимая статическая нагрузка - Р_ст, обеспечивающая поверхностную пластическую деформацию, создается конструкцией устройства, а именно установкой межосевого расстояния А_м между копиром и заготовкой, которое регулируется изменением натяга h.

Перед началом обработки партии заготовок производят настройку устройства на необходимую статическую нагрузку - Р_ст, обеспечивающую поверхностную пластическую деформацию, путем приближения или удаления копира от обрабатываемой заготовки, при этом возникает необходимость в замене промежуточного зубчатого колеса 13 на колесо соответственно с уменьшенным или увеличенным числом зубьев.

В процессе работы с включением вращательного движения заготовки V_З, вводом деформирующей пружины на линию центров копира и заготовки и продольной подачи S_пр упругие деформирующие элементы 2 пружины 3 осуществляют поверхностную пластическую деформацию.

Обладая упругостью, деформирующие элементы витки 2 пружины 3 с помощью копира обеспечивают более эластичный прижим к обрабатываемой сложнофасонной поверхности, благодаря чему достигается более равномерное упрочнение поверхностного слоя заготовки.

Наличие упругого элемента, которым является деформирующая пружина 3, обеспечивает постоянное усилие упрочнения в любой точке обрабатываемой сложнофасонной поверхности.

Предлагаемый способ дает возможность наиболее полно использовать рабочую поверхность деформирующих элементов и тем самым значительно повысить долговечность инструмента.

Упругие элементы инструмента, т.е. пружина изготовляется из сталей: легированных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А. Твердость рабочей поверхности витков из сталей HRC 62...65. Рабочая поверхность деформирующих витков 2 пружины 3 полируется до Ra=0,08...0,16 мкм.

Пружина 3 может быть навита плотно с шагом, равным диаметру проволоки, из которой изготовлена пружина (см. фиг.5), а также с большим шагом, позволяющим лучшему проникновению смазывающе-охлаждающей жидкости в зону контакта (см. фиг.4).

Производительность предлагаемого процесса упрочняющей обработки определяется диаметром проволоки, из которой изготовлена пружина, и диаметром витков пружины. При обработке заготовок винтов диаметр проволоки диктуется размерами впадины винтовой поверхности, а именно диаметр проволоки пружины должен быть таким, чтобы он контактировал со всеми точками днища впадины в продольном сечении винта.

Устройство с большим диаметром проволоки позволяет вести обработку с большой продольной подачей S_пр, однако в этом случае необходимо создавать большие рабочие усилия Р_ст, что снижает качество поверхности. От значения допустимого рабочего усилия Р_ст зависят параметры деформирующей пружины.

Наиболее целесообразно обкатыванием обрабатывать исходные поверхности 7...11-го квалитетов.

При обкатывании предлагаемым способом практически достигаются параметры шероховатости Ra=0,2...0,8 мкм при исходных значениях этих параметров 0,8...6,3 мкм. Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от материала, рабочего усилия или натяга, подачи, исходной шероховатости, конструкции устройства и т.д.

Обкатывание предлагаемым способом следует проводить так, чтобы заданные результаты достигались за один проход. Не следует использовать обратный ход в качестве рабочего хода, так как повторные проходы в противоположных направлениях могут привести к излишнему деформированию и отслаиванию поверхностного слоя.

Скорость заготовки V_З не оказывает заметного влияния на результаты обработки обкатыванием и выбирается с учетом требований производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость V_З составляет 30...50 м/мин. Значение усилия обкатывания выбирают в зависимости от цели обработки. Оптимальное усилие Р_ст (Н), соответствующее максимальному пределу выносливости, определяют по формуле Р_ст=500+1,66 D², где D - диаметр обкатываемой поверхности заготовки, мм.

Предлагаемый способ, реализуемый устройством с многоэлементным деформирующим пружинным инструментом, обеспечивает постоянное усилие контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью и почти не уменьшает погрешности предшествующей обработки, являясь копирующим.

Смазывающе-охлаждающей жидкостью при обкатывании служит сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.

Пример. Обрабатывался винт левый Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500 (см. фиг.1), который имел следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина винтовой части - 1208 мм, диаметр поперечного сечения винта D_З=⊘27^-0,05 мм, эксцентриситеты - 1,65 мм, 3,3 мм, шаг t=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 помощью обкатывающего устройства с деформирующей пружиной. Пружина была выполнена с наружным диаметром витков в свободном ненагруженном состоянии D_пр=30 мм, из проволоки диаметром 5 мм. Рабочая поверхность деформирующих витков пружины полировалась до R_a=0,08...0,16 мкм.

Смазочно-охлаждающая жидкость - сульфофрезол. Окружная скорость заготовки - V_З=21 м/мин (0,35 м/с), n_З=250 об/мин, продольная подача S_пр ⁼0,25 мм/об, требуемая шероховатость и точность винтовой поверхности была достигнута через Т_м=2,5 мин (против Т_м ^баз=36,5 мин по базовому варианту при традиционном обкатывании шариковым обкатником на токарном станке 1К62 на ОАО "Ливгидромаш"). В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повысился до R_a=0,4 мкм при исходном значении R_a=3,2 мкм. Твердость поверхности увеличилась на 50...80% при глубине наклепанного слоя 0,3...3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигли на поверхности 400...800 МПа. Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68. Накопленная погрешность между любыми не соседними шагами была не более 0,1 мм, просвет при контроле лекальной линейкой образующих по диаметру выступов - не более 0,07 мм, что допустимо по ТУ.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности процесса поверхностного пластического деформирования, повышает параметр шероховатости обработанной поверхности, увеличивает ее твердость на значительную глубину, повышает производительность за счет увеличения пятна контакта большого количества деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, а также снижает себестоимость процесса обработки.

Источники информации

1. Патент Германии №665083, кл. 67 с.1, 1940.

2. Никифоров А.В., Сахаров В.В. Технологические возможности и перспективы чистовой и упрочняющей обработки упругим инструментом (Машиностроит. Пр-во. Сер. Прогрессивные технол. процессы в машиностроении: Обзорн. информ. /ВНИИТЭМР. Вып.5).- М, 1991. - С.31...37, прототип.

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к отделочной обработке поверхностным пластическим деформированием заготовок винтов. Сообщают вращательное движение заготовке винта и продольную подачу устройству, содержащему корпус и рабочие деформирующие элементы в виде витков винтовой цилиндрической пружины. Перед включением продольной подачи пружине с деформирующими витками сообщают поперечную подачу и вводят в контакт с заготовкой и копиром. Упомянутой пружине, которая установлена свободно на упругой основе на оси в подшипниках корпуса, сообщают вращение от заготовки. Используют копир, имеющий форму обрабатываемого винта. Обеспечивают принудительное вращение копиру от заготовки со скоростью, равной скорости заготовки. В диаметрально противоположном месте относительно копира заготовка опирается на люнет с валиком. Оси вращения валика люнета, заготовки, деформирующей пружины и копира параллельны, а межосевое расстояние между заготовкой и копиром определяют по формуле, приведенной в описании изобретения. В результате расширяются технологические возможности процесса поверхностного пластического деформирования, повышается параметр шероховатости обработанной поверхности, увеличивается ее твердость, повышается производительность и снижается себестоимость процесса обработки. 6 ил.

Способ обкатывания винтов, включающий сообщение вращательного движения заготовке винта и продольной подачи устройству, содержащему корпус и рабочие деформирующие элементы, выполненные в виде витков винтовой цилиндрической пружины, отличающийся тем, чтоперед включением продольной подачи пружине с деформирующими витками сообщают поперечную подачу и вводят в контакт с заготовкой и копиром, упомянутой пружине, которая установлена свободно на упругой основе на оси в подшипниках корпуса, сообщают вращение от заготовки, при этом копир имеет форму обрабатываемого винта и сдвинут в продольном направлении на половину шага винта таким образом, что впадина заготовки винта находится против выступа копира, причем копир имеет принудительное вращение от заготовки со скоростью, равной скорости заготовки, и одинакового с ней направления, а в диаметрально противоположном месте относительно копира заготовка опирается на люнет, имеющий опорный валик длиной не менее двух шагов обрабатываемого винта, при этом оси вращения валика люнета, заготовки, пружины и копира параллельны, а межосевое расстояние А_м между заготовкой и копиром определяют по формуле

A_м=D_з+D_пр- 2h, мм,

где А_м - межосевое расстояние между заготовкой и копиром, мм;

D_з - диаметр заготовки винта, мм;

D_пр - наружный диаметр пружины, мм;

h - натяг, устанавливаемый для поверхностного пластического деформирования при обкатывании, мм.