ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 2009 года по МПК B24B39/00 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статическим нагружением деформирующего пружинного инструмента.

Известен инструмент для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрической поверхности без перемещения его вдоль обкатываемой поверхности, содержащий подпружиненный держатель и смонтированный в нем с возможностью свободного вращения деформирующий элемент, который выполнен в виде пружины с наружным диаметром, не кратным диаметру обкатываемой поверхности [1].

Известный инструмент отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен упрочняющий инструмент для отделочной обработки поверхностным пластическим деформированием, который содержит неподвижное основание, подвижный корпус и вал, установленный на подшипниках, и на котором размещен деформирующий инструмент в виде винтовой пружины, при этом между корпусом и основанием установлен упругий элемент, создающий силу деформирования [2].

Известный инструмент отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, при минимальной энергоемкости и трудоемкости изготовления оснастки путем использования упругого многоэлементного деформирующего инструмента в виде винтовой пружины с витками различного диаметра с впадинами и выступами на рабочей поверхности.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого отделочно-упрочняющего инструмента для обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД), содержащего неподвижное основание, подвижный корпус и вал, который на подшипниках установлен в корпусе и на котором размещен деформирующий инструмент в виде винтовой пружины, а между корпусом и основанием установлен упругий элемент, создающий силу деформирования, причем ось вала расположена под углом скрещивания относительно продольной оси заготовки, при этом вал с деформирующим инструментом имеет индивидуальный привод вращения относительно собственной оси, а витки винтовой деформирующей пружины имеют различный диаметр и установлены на валу с помощью демпфирующей втулки так, что вершины наружных рабочих поверхностей в продольном сечении расположены на кривой в виде части эллипса, зависящей от угла скрещивания, при этом наружные рабочие поверхности витков пружины имеют впадины и выступы.

Сущность конструкции инструмента поясняется чертежами.

На фиг.1 показана схема чистовой и отделочно-упрочняющей обработки цилиндрической поверхности вала предлагаемым инструментом; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - продольный разрез инструмента; на фиг.4 - поперечный частичный разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - вид В на фиг.4; на фиг.6 - второй вариант конфигурации выступов в виде части шаровой поверхности, поперечный частичный разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.7 - второй вариант конфигурации выступов в виде части шаровой поверхности, вид В на фиг.4.

Предлагаемый инструмент 1 предназначен для отделочной, чистовой и упрочняющей обработки цилиндрических поверхностей 2 специальным деформирующим элементом 3 методом ППД. Для чего инструмент деформирующим элементом прижимают к обрабатываемой поверхности 2 с определенным усилием Р_ст, т.е. создают натяг путем поперечного перемещения и сообщают продольную подачу S_пp, а заготовке сообщают вращательное движение V_з. При этом сам инструмент вращается со скоростью V_и от индивидуального привода, установленного на корпусе (не показан). С целью улучшения шероховатости обрабатываемой поверхности должно быть соблюдено соотношение скоростей V_и>>V_з.

Инструмент 1 содержит неподвижное основание 4 и подвижный корпус 5, между которыми установлен упругий элемент 6, создающий статическую силу деформирования Р_ст. В корпусе 5 на подшипниках 7 установлен вал 8, на центральной шейке 9 которого размещен деформирующий элемент в виде винтовой пружины 3. Наружная поверхность центральной шейки 9 в продольном сечении представляет собой кривую второго порядка - часть эллипса, а сама шейка является однополостным гиперболоидом вращения. Продольная ось вала 8 расположена под углом скрещивания (относительно продольной оси заготовки 2. Витки винтовой деформирующей пружины 3 имеют различный диаметр и установлены на валу 8 с помощью демпфирующей упругой втулки 10 так, что вершины наружных рабочих поверхностей в продольном сечении расположены на кривой в виде части эллипса, зависящей от угла скрещивания α. Демпфирующая упругая втулка 10 изготовлена, например, из каучука, резины, поролона и т.п. Угол скрещивания α меньше или равен углу наклона витков винтовой деформирующей пружины 3.

С целью увеличения глубины упрочненного слоя обрабатываемой поверхности заготовки 2 наружные рабочие поверхности витков пружины 3 имеют впадины и выступы, благодаря которым реализуется ударное воздействие как более эффективное, чем статическая нагрузка.

Предлагаемый инструмент с деформирующим элементом 3 крепится на суппорте в резцедержателе токарного станка (не показан), обрабатываемая заготовка, например вал 2, закрепляется в патроне шпинделя передней бабки и поджимается центром задней бабки.

Перед включением станка производят настройку на нужное усилие обкатывания путем поперечного перемещения основания 4. Упругий элемент 6, воздействуя на корпус 5, создает статическую силу деформирования Р_ст. Включают главное движение V_з - вращение заготовки вала 2, а также принудительное вращение V_и инструмента, и одновременно инструменту с деформирующим элементом сообщают поступательную продольную подачу S_пp.

Сущность процесса заключается в том, что деформирующий элемент 3 устанавливается с некоторым натягом относительно обрабатываемой заготовки. Статическая сила Р_ст деформирования создается упругим элементом 6, а импульсное воздействие осуществляется при набегании впадины витка деформирующей пружины на наружную поверхность заготовки, виток проваливается до дна впадины, а затем вновь выходит на выступ, все это сопровождается ударом.

То есть, помимо статического воздействия Р_ст, на обрабатываемую поверхность 2 деформирующие элементы 3 с впадинами и выступами оказывают импульсное ударное воздействие. При определенном (рабочем) усилии Р_ст и ударном воздействии в зоне контакта деформирующих элементов и заготовки интенсивность напряжений превышает предел текучести, в результате чего происходи пластическая деформация микронеровностей, изменяются физико-механические свойства и структура поверхностного слоя (например, увеличивается микротвердость или возникают остаточные напряжения в поверхностном слое).

Каждый деформирующий виток передает импульс силы в радиальном направлении к заготовки с определенной частотой, зависящей от V_в, V_и и длины выступа. Различный диаметр витков деформирующей пружины позволяет поочередно передавать импульс силы на обрабатываемую поверхность.

Благодаря наклону инструмента на угол скрещивания α изменяется траектория движения пятна контакта деформирующего элемента с заготовкой, т.е. расширяются технологические возможности процесса ППД.

Объемная деформация заготовки незначительна.

Частота ударов выступов витков деформирующего элемента по заготовки зависит от его частоты вращения V_и, расстояния между вершинами выступов, шага пружины 3.

При действии на витки деформирующего элемента только статической нагрузки P_ст внедрение их в обрабатываемую поверхность происходит на меньшую величину, при импульсной ударной нагрузки внедрение инструмента в обрабатываемую поверхность происходит на большую величину.

Глубина упрочненного слоя обработанного способом ударного упрочнения с использованием предлагаемого инструмента достигает 1,5…2,5 мм, что значительно (в 3…4 раза) больше, чем при традиционном статическом упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15…30%. В результате данной статической ударной обработки по сравнению с традиционным обкатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 2…2,5 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7…2,2 раза.

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 400…800 МПа.

Предварительная обработка заготовки: шлифование до значения параметра шероховатости Ra=0,4…1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью Ra=3,2 мкм. Обкатывание предлагаемым инструментом применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58…64.

Деформирующие элементы 3 изготовляют из сталей: легированных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А, быстрорежущих Р6М5, Р9. Твердость рабочей поверхности витков из сталей HRC 62…65. Параметр шероховатости рабочего профиля витков пружины Ra=0,32 мкм.

Производительность процесса упрочнения предлагаемым инструментом определяется радиусом витка деформирующей пружины, размерами выступов и впадин, а также диаметром проволоки, из которой изготовлена пружина.

Инструмент с большим радиусом витка деформирующей пружины и диаметром проволоки позволяет вести обработку с большой подачей (до 3 мм/об.), однако в этом случае для получения высокого качества поверхности необходимо создавать большие рабочие усилия. От значения допустимого рабочего усилия зависят параметры деформирующей пружины.

Предлагаемое ударное упрочнение, осуществляемое деформирующим элементом с большим количеством выступов, обеспечивает необходимое усилие контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью.

Изменение размера поверхности при ударном упрочнении связано со смятием микронеровностей и пластической объемной деформацией заготовки. Таким образом, точность обработанной заготовки будет зависеть от ее конструкции и конструкции устройства для ударного упрочнения, режимов обработки, а также от точности размеров, формы и качества поверхности заготовки, полученной при обработке на предшествующем переходе. Величина изменение размера зависит от состояния исходной поверхности (см. таблицу).

Изменение размеров поверхностей заготовки при ударном упрочнении в зависимости от шероховатости исходной поверхности Способ Параметр Величина, предварительной шероховатости на которую изменяется обработки Ra, мм размер после обработки,     мм   6,3 0,02…0,06 Точение 3,2 0,01…0,04   1,6 0,01…0,02 Точение широким 3,2 0,01…0,02 бреющим резцом 1,6 до 0,01 Шлифование 3,2 0,01…0,03   1,6 0,01…0,02

При этом точность размеров существенно не меняется. Неблагоприятные условия обработки заготовки вблизи торцов приводят к увеличенной пластической деформации заготовки на участках длиной 3…15 мм.

Наиболее целесообразно ударным упрочнением обрабатывать исходные поверхности 1…11-го квалитетов.

При поверхностно пластическом деформировании предлагаемым ударным упрочнением 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 деформирующего элемента и т.д.

Предлагаемое ударное упрочнение 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 оказывает влияния на результаты обработки и выбирается с учетом требований производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования V_и>>V_з. Обычно скорость заготовки составляет 10…50 м/мин. Значение усилия ударного упрочнения 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 упрочняющей поверхности заготовки.

Продольную подачу при ударном упрочнении принимают 0,2…3 мм/об. Оптимальная продольная подача S_{пp в} на один деформирующий виток пружины не должна превышать 0,1…0,5 мм/об. Подачу на один оборот заготовки определяют по формуле: S_пр=kS_{пр в}, где k - число деформирующих витков.

Смазывающе-охлаждающей жидкостью при вибрационном упрочнении служат машинное масло, смесь машинного масла с керосином (по 50%), сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым инструментом, проведены экспериментальные исследования обработки вала на токарном станке. Значения технологических факторов (частота ударов, величина амплитуды, величина 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 деформирующих элементов к обрабатываемой поверхности составляла Р_ст≥25…40 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость «сырых» образцов - HV 270…280. Глубина упрочненного слоя в 3…4 раза выше, чем при традиционном обкатывании.

Упрочненный слой при традиционном статическом обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий.

Предлагаемым ударным упрочнением аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного воздействия на очаг деформации удара. При близких степенях упрочнения поверхностного слоя величина статической составляющей нагрузки при ударном упрочнении значительно меньше.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя ударной 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 1,1…1,3 paза больше, чем глубина наклепанного слоя, что согласуется с теорией поверхностного пластического деформирования.

Достигаемая в процессе обработки предлагаемым ударным упрочнением предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Микровибрации в процессе благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение удара приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности.

Удары способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки.

При наложении удара деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости.

Обработка в условиях удара резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Упрочнение использованием предлагаемого инструмента расширяет технологические возможности обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности, 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 и расходы на изготовление оснастки.

Источники информации

1. А.с. СССР 218 681, МПК B24B 39/00. Инструмент для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрической поверхности. Б.М.Браславский. 1052441/25-8. 01.02.1966.

2. Никифоров А.В., Сахаров В.В. Технологические возможности и перспективы чистовой и упрочняющей обработки упругим инструментом. - М., 1991. - 56 с., 26 ил. (Машиностроит. пр-во. Сер. Прогрессивные технол. процессы в машиностроении: Обзорн. информ./ВНИИТЭМР. Вып.5). С.29-32 - прототип.

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей. Устройство содержит неподвижное основание, подвижный корпус, установленный в корпусе на подшипниках вал с винтовой деформирующей пружиной и упругий элемент, установленный между корпусом и основанием. Ось вала расположена под углом скрещивания относительно продольной оси заготовки. Вал с деформирующим инструментом имеет индивидуальный привод вращения относительно собственной оси. Винтовая деформирующая пружина выполнена с витками различного диаметра. Винтовая деформирующая пружина установлена на валу с помощью демпфирующей втулки с обеспечением расположения вершин наружных рабочих поверхностей витков пружины в продольном сечении на кривой в виде части эллипса. На наружных рабочих поверхностях витков пружины выполнены впадины и выступы. В результате расширяются технологические возможности увеличивается твердость поверхности заготовки, повышается производительность и снижается себестоимость. 7 ил., 1 табл.

Отделочно-упрочняющий инструмент для обработки поверхностным пластическим деформированием, содержащий неподвижное основание, подвижный корпус, установленный в корпусе на подшипниках вал с размещенным на нем деформирующим инструментом в виде винтовой деформирующей пружины и упругий элемент, создающий силу деформирования, установленный между корпусом и основанием, отличающийся тем, что ось вала расположена под углом скрещивания относительно продольной оси заготовки, вал с деформирующим инструментом имеет индивидуальный привод вращения относительно собственной оси, винтовая деформирующая пружина выполнена с витками различного диаметра и установлена на валу с помощью демпфирующей втулки с обеспечением расположения вершин наружных рабочих поверхностей витков пружины в продольном сечении на кривой в виде части эллипса, зависящей от упомянутого угла скрещивания между осью вала и продольной осью заготовки, при этом на наружных рабочих поверхностях витков пружины выполнены впадины и выступы.