УПРОЧНЯЮЩАЯ ЭЛЕКТРОГОЛОВКА Российский патент 2011 года по МПК B24B39/04 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к изготовлению оснастки для обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки валов нежестких с винтовыми, цилиндрическими и другими сложнопрофильными поверхностями, например винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей.

Известно трехроликовое приспособление, закрепляемое на суппорте токарного станка, состоящее из корпуса и шарнирно соединенной с ним державки с тремя деформирующими элементами - роликами, позволяющее разгрузить узлы станка от односторонне приложенного усилия и обработки нежестких деталей типа валов [1]. Шарнирное соединение державки с корпусом позволяет повысить точность обработки валов и исключить влияние биения поверхности валов, приобретенное на предыдущих операциях.

Недостатками известного устройства являются узкие технологические возможности, при которых чистовая обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД) винтовых наружных поверхностей после соответствующей модернизации является весьма сложной, а ряде случаев невозможной, при этом невысокая производительность и сложная длительная настройки повышает себестоимость обработки.

Известно устройство, содержащее корпус с индивидуальным высокоскоростным приводом, охватывающее заготовку кольцо с деформирующими элементами, расположенными на беговой дорожке на внутренней поверхности, причем корпус-кольцо установлен в кривошипе, также имеющем индивидуальный привод, благодаря которому сообщают дополнительное планетарное вращение относительно оси, проходящей через центр заготовки, параллельной и смещенной относительно оси корпуса-кольца на величину эксцентриситета [2, 3].

Недостатками известного способа и устройства являются узкие технологические возможности ППД, при которых чистовая обработка поверхностным пластическим деформированием винтовых наружных поверхностей после соответствующей модернизации является весьма сложной, а ряде случаев невозможной. Одностороннее действие усилия деформирования ухудшает качество обрабатываемой поверхности. Кроме того, конструктивно сложный привод, состоящий из двух индивидуальный приводов, повышает себестоимость обработки, снижает производительность, требует сложной и длительной настройки.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей оснастки для ППД сложнопрофильных поверхностей путем использования охватывающего инструмента с деформирующими элементами, расположенными на внутренней поверхности, расположенного в роторе электродвигателя и позволяющего улучшить качество обрабатываемой поверхности, повысить производительность и снизить себестоимость обработки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства - охватывающей головки для поверхностного пластического деформирования заготовок нежестких валов с винтовыми, цилиндрическими или сложнопрофильными поверхностями, содержащая корпус с центральным отверстием и деформирующие элементы, при этом она снабжена ротором в виде полого вала, корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного коротко-замкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован упомянутый ротор, деформирующие элементы расположены в отверстии ротора и установлены на одном конце Г-образно изогнутых пластинчатых пружин из стальной холоднокатаной термообработанной ленты, причем последние другим концом жестко закреплены на торце ротора и выполнены с возможностью создания натяга, обеспечивающего усилие поверхностного пластического деформирования, при этом деформирующие элементы расположены с возможностью охватывания заготовки с внутренним диаметром, проходящим через их вершины, при нахождении пластинчатых пружин в свободном состоянии, меньшим диаметра заготовки вала на величину натяга.

Особенности конструкции головки поясняются чертежами.

На фиг.1 показана схема упрочнения винтовой сложнопрофильной поверхности нежесткого винта предлагаемой головкой, продольный разрез; на фиг.2 - вид по А на фиг.1, вид с торца; на фиг.3 - общий вид предлагаемой головки сбоку; на фиг.4 - схема к определению величины натяга, деформирующий инструмент в свободном не нагруженном состоянии; на фиг.5 - схема упрочнения выступа обрабатываемой заготовки винта и впадины (тонкой линией) за счет радиального S_P перемещения деформирующего элемента, закрепленного на Г-образной пластинчатой пружине.

Предлагаемое устройство - охватывающая головка предназначено для ППД нежестких валов с винтовыми, цилиндрическими и другими сложнопрофильными поверхностями (например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, цилиндрических валов, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей), работа которого заключается в том, что обрабатываемой заготовке 1 и деформирующему инструменту 2 сообщают вращательные движения V_З и V_И соответственно, при этом устройству с деформирующим инструментом сообщают движение продольной подачи S_ПР. Устройство имеет деформирующие элементы, которые с определенным усилием пластически деформируют и упрочняют наружную поверхность.

Для ППД упрочнения обрабатываемой поверхности заготовки, например винта винтового насоса 1 (см. фиг.1), предварительно обработанной, например, точением, ее закрепляют в приспособлении, например в трехкулачковом самоцентрирующем патроне с поджатием центром задней бабки (не показаны), и сообщают вращательное движение V_З вокруг собственной центральной оси, а деформирующему инструменту 2 устройства - продольную подачу S_ПР и возможность совершать деформирующим элементам возвратно-радиальные перемещения S_P в поперечном направлении.

Устройство состоит из корпуса 3, выполненного в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, взятого, например, по ГОСТ 19523-74, с полюсами 4 и выполненного из серого чугуна. Внутри корпуса-статора 3 на подшипниках качения 5 смонтирован ротор 6 в виде полого стального вала.

В отверстии ротора 6 установлены и одним концом жестко закреплены к торцу ротора пластинчатые пружины 7. Пластинчатые пружины Г-образно изогнуты и изготовлены, например, из стальной холоднокатаной термообработанной ленты по ГОСТ 21996-76. На другом конце Г-образно изогнутой пластинчатой пружины установлен деформирующий элемент, например - шарик 8.

Количество деформирующих элементов 8 определяется из конструктивных соображений так, что они охватывают заготовку вала 1 и внутренний диаметр d по вершинам деформирующих элементов, закрепленных на пластинчатых пружинах, находящихся в свободном состоянии, меньше обрабатываемого диаметра D₁ заготовки вала на величину натяга «n». Натяг «n» влияет на усилие упрочнения Р, создаваемое пластинчатыми пружинами, чем больше натяг, тем больше усилие упрочнения Р. Вынужденные возвратно-радиальные перемещения S_P, совершаемые деформирующими элементами в поперечном направлении, обеспечиваются изгибом пластинчатых пружин 7.

При переналадке и переходе на обработку другой заготовки изменение усилия Р упрочнения, воздействующее деформирующими элементами на обрабатываемую поверхность заготовки 1, требует замены пластинчатых пружин.

Предлагаемая конструкция устройства и крепление на пластинчатых пружинах 7 деформирующих элементов 8, которые охватывают заготовку по всему диаметру, позволяет уравновесить воздействие упрочняющего усилия Р и избавиться от продольного прогиба обрабатываемых нежестких заготовок, и не требует применение люнета.

Передача вращательного движения V_И валу ротора 6 с деформирующими элементами 8 осуществляется с помощью электрических сил, наводимых в корпусе-статоре электродвигателя и является минимальной кинематической цепью по протяженности и сложности, и исключает использование промежуточных ременных, зубчатых и других передач и редукторов, поэтому устройство имеет высокий КПД.

Обкатывание осуществляют роликами или шариками, которые оказывают давление Р на поверхность обрабатываемой заготовки. При определенном рабочем усилии в зоне контакта деформирующих элементов и заготовки интенсивность напряжений превышает предел текучести, в результате чего происходит пластическая деформация микронеровностей, изменяются физико-механические свойства и структура поверхностного слоя, а именно увеличивается микротвердость и возникают остаточные напряжения в поверхностном слое. Объемная деформация заготовки незначительна.

Твердость поверхностного слоя и шероховатость поверхности, полученные с помощью предлагаемого устройства, зависят от силы упрочнения Р. Эти параметры, в свою очередь, зависят от окружной скорости вала ротора с деформирующими элементами, натяга, размера деформирующих элементов, их числа, частоты вращения, величины продольной подачи устройства и числа проходов.

Режимы ППД для предлагаемого устройства, оснащенного, например, шариками диаметром 5…10 мм и стальных заготовок следующие: окружная скорость вала ротора - V_И≈1,0…2,0 м/с, окружная скорость заготовки - V_З≈0,5…1,5 м/с, число проходов - 2…3, натяг - n≈0,5…1,5 мм.

В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя предлагаемым устройством параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,08…0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8…3,2 мкм. Твердость обработанной поверхности увеличивается на 25…75%. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 350…550 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.

Устройство для ППД позволяет создать на обрабатываемой сложно-профильной, в том числе винтовой поверхности, регулярный микрорельеф, способный удерживать смазывающие материалы и продлевать ресурс работы деталей при эксплуатации.

Устройство для ППД применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58…64.

При промышленных испытаниях устройства, установленного в патроне с электромеханическим приводом на токарном станке мод. 16К20Ф3, обрабатывали заготовку 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 - 1,65 мм, шаг - 28^±0,01 мм, шероховатость Ra=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 40Х, твердость НВ 270-280, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась с использованием разработанного устройства, на базе электродвигателя IM5010, модель 4АВ132В6, имеющего частоту вращения вала ротора -1000 мин^-1; наружный диаметр вала ротора - 157,3 мм; диаметр отверстия, расточенного под инструмент и заготовку с 54 мм до 115 мм; длина корпуса - статора - 253 мм; наружный диаметр корпуса - статора - 261 мм.

ППД вели на следующих режимах: окружная скорость инструмента - V_И≈1,5 м/с; окружная скорость заготовки - V_З≈1,0 м/с, число проходов - 3, натяг - 1,2 мм, продольная S_ПР подача 1,5…2,0 мм/об, усилие упрочнения - 170…175 Н; диаметр винта изменился после обработки на 0,02 мм (0,01 мм на сторону); глубина упрочненного слоя находилась в пределах 0,15…0,20 мм; повышение твердости на 25…30%; при обработке деформирующие элементы смазывали смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность заготовки - керосином.

Исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,32 мкм; деформирующий инструмент - шарики диаметром 7 мм из стали ШХ15, твердостью HRC 63…65.

Глубина упрочненного слоя в 1,5…2 раза выше, чем при традиционном обкатывании.

Требуемая шероховатость и точность винтовой поверхности была достигнута через Т_м=3,6 мин (против мин по базовому варианту при традиционном обкатывании винтов на токарном станке 1К62 на ОАО "Ливгидромаш").

Для обеспечения необходимого качества и размерной точности обработки потребовалось основного времени в 3 раза меньше, чем при обкатывании традиционным обкатником. При этом глубина и микротвердость упрочненного слоя (белой зоны) составляла соответственно 0,15…0,20 мм и 8…9 ГПа с постепенным понижением микротвердости по глубине до исходного состояния - 2,0…2,5 ГПа.

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.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя показали, что максимальные остаточные напряжения находятся близко к поверхности, как при чеканке, что благоприятно для большинства сопрягаемых деталей механизмов и машин.

Достигаемая в процессе обработки предлагаемым устройством предельная величина шероховатости составляет Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 4 раза.

Деформирование с помощью предлагаемой упрочняющей электроголовки благоприятно сказывается на условиях работы деформирующего инструмента устройства. Оно приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, облегчает формирование упрочняемой поверхности.

Применение предлагаемого устройства способствует лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. Применение предлагаемого многоэлементного деформирующего инструмента способствует увеличению стойкости каждого деформирующего элемента, работающего в отдельности. Обработка в условиях предлагаемого деформирования резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта деформирующих элементов и заготовки.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности обработки ППД, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности. При этом конструктивно простой и компактный привод устройства снижает себестоимость обработки, увеличивает производительность, улучшает качество обрабатываемой поверхности, не требует сложной и длительной настройки.

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.386-388. рис.7 - прототип.

2. Патент РФ 2276005, МПК В24В 39/04. Способ обкатки неполных сферических поверхностей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Гаврилин A.M., Афанасьев Б.И., Катунин А.А., Фомин Д.С. 2004129399/02; 05.10.2004; 10.05.2006. Бюл. № 13.

3. Патент РФ 2276006, МПК В24В 39/04. Устройство для импульсно-ударного деформирования сферических поверхностей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Афанасьев Б.И., Катунин А.А., Катунин А.В. Фомин Д.С. 2004136428/02; 14.12.2004; 10.05.2006. Бюл. № 13.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке поверхностным пластическим деформированием. Охватывающая головка содержит корпус, деформирующие элементы и ротор в виде полого вала. Корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован упомянутый ротор. Деформирующие элементы расположены в отверстии ротора и установлены на одном конце Г-образно изогнутых пластинчатых пружин. Пластинчатые пружины другим концом жестко закреплены на торце ротора. Деформирующие элементы расположены с возможностью охватывания заготовки. В результате расширяются технологические возможности и увеличивается производительность. 5 ил.

Охватывающая головка для поверхностного пластического деформирования заготовок нежестких валов с винтовыми, цилиндрическими или сложнопрофильными поверхностями, содержащая корпус с центральным отверстием и деформирующие элементы, отличающаяся тем, что она снабжена ротором в виде полого вала, корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован упомянутый ротор, деформирующие элементы расположены в отверстии ротора и установлены на одном конце Г-образно изогнутых пластинчатых пружин из стальной холоднокатаной термообработанной ленты, причем последние другим концом жестко закреплены на торце ротора и выполнены с возможностью создания натяга, обеспечивающего усилие поверхностного пластического деформирования, при этом деформирующие элементы расположены с возможностью охватывания заготовки с внутренним диаметром, проходящим через их вершины, при нахождении пластинчатых пружины в свободном состоянии, меньшим диаметра заготовки вала на величину натяга.