СПОСОБ ОБКАТЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОГОЛОВКОЙ Российский патент 2011 года по МПК B24B39/04 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке поверхностным пластическим деформированием (ППД), и может быть использовано для чистового и упрочняющего обкатывания валов нежестких с винтовыми, цилиндрическими и другими сложно-профильными поверхностями, например винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей.

Известен способ обкатывания трехроликовым приспособлением, закрепляемым на суппорте токарного станка, состоящим из корпуса и шарнирно соединенную с ним державку с тремя деформирующими элементами - роликами, при этом державка позволяет разгрузить узлы станка от односторонне приложенного усилия и обработки нежестких деталей типа валов [1]. Шарнирное соединение державки с корпусом повышает точность обработки валов и исключает влияние биения поверхности валов, приобретенное на предыдущих операциях.

Недостатками известного способа и 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 настройка повышает себестоимость обработки.

Известен способ и 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 имеющему 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 в ряде случаев невозможной. Одностороннее действие усилия деформирования ухудшает качество обрабатываемой поверхности. Кроме того, конструктивно сложный привод, состоящий из двух индивидуальных приводов, повышает себестоимость обработки, снижает производительность, требует сложной и длительной настройки.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей ППД сложно-профильных 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 предлагаемым способом обкатывания поверхностным пластическим деформированием заготовок нежестких валов со сложно-профильными поверхностями, включающим сообщение заготовке и многоэлементному деформирующему инструменту вращательных движений вокруг собственных осей и продольной подачи деформирующему инструменту, при этом используют многоэлементный деформирующий инструмент, содержащий корпус с центральным отверстием, выполненным в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала, в отверстии которого расположены деформирующие элементы, установленные на одном конце Г-образно изогнутых пластинчатых пружин из стальной холоднокатаной термообработанной ленты, которые другим концом жестко закреплены на торце ротора, при этом деформирующие элементы охватывают заготовку, а внутренний диаметр, проходящий по их вершинам при нахождении пластинчатых пружин в свободном состоянии, меньше диаметра заготовки вала на величину натяга, создаваемого с помощью пластинчатых пружин и обеспечивающего усилие поверхностного пластического деформирования.

Особенности способа и конструкции устройства, реализующего предлагаемый способ, поясняются чертежами.

На фиг.1 показана схема реализации предлагаемого способа обкатывания винтовой сложно-профильной поверхности нежесткого винта электроголовкой, продольный разрез; на фиг.2 - вид по А на фиг.1, вид с торца; на фиг.3 - общий вид электроголовки сбоку; на фиг.4 - схема к определению величины натяга, деформирующий инструмент в свободном не нагруженном состоянии; на фиг.5 - схема обкатывания выступа винтовой поверхности обрабатываемой заготовки винта и впадины (тонкой линией) за счет радиального S_p перемещения деформирующего элемента, закрепленного на Г-образной пластинчатой пружине.

Предлагаемый способ и устройство предназначены для ППД обкатывания нежестких валов с винтовыми, цилиндрическими и другими сложно-профильными поверхностями (например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, цилиндрических валов, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей). Работа по способу заключается в том, что в обрабатываемой заготовки 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 обкатыванием 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_р в поперечном направлении, вызываемые впадинами и выступами заготовки.

Способ реализуется устройством, состоящим из корпуса 3, выполненным в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, взятого, например, по ГОСТ 19523-74, с полюсами 4 и изготовленного 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, например, по ГОСТ 21996-76. На другом конце Г-образно изогнутой пластинчатой пружины 7 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 обкатывания и упрочнения Р, создаваемое упругими свойствами пластинчатых пружин, чем больше натяг, тем больше усилие обкатывания и упрочнения Р. Регулировка усилия обкатывания и упрочнения Р производится изменением величины натяга «n».

Вынужденные возвратно-радиальные перемещения S_р, совершаемые деформирующими элементами в поперечном направлении, обеспечиваются изгибом пластинчатых пружин 7.

При переналадке и переходе на обработку другой заготовки изменение усилия Р обкатывания и 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 избавится 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 отличается минимальными энергопотерями и 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 предлагаемым способом, 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 обкатывания предлагаемым способом, реализуемого устройством, оснащенного, например, шариками диаметром 5…10 мм, 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 способом 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.

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

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

При промышленных испытаниях способа и устройства обрабатывали установленную в патроне с электромеханическим приводом на токарном станке мод. 16К20Ф3 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.

Обкатывание 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 ИЧ10Б 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 способом и устройством предельная величина шероховатости составляет Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 4 раз.

Обкатывание и деформирование предлагаемым способом с помощью упрочняющей электроголовки благоприятно сказываются на условиях работы деформирующего инструмента устройства. Оно приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, облегчает формирование упрочняемой поверхности.

Применение предлагаемого способа и устройства способствует лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. Применение предлагаемого способа, реализуемого многоэлементным деформирующим инструментом, 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.

Предлагаемый способ и устройство расширяют технологические возможности обработки ППД, позволяют 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. Сообщают заготовке и деформирующему инструменту вращательные движения вокруг собственных осей. Сообщают продольную подачу деформирующему инструменту. Используют деформирующий инструмент, содержащий корпус в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала. В отверстии ротора расположены деформирующие элементы, установленные на одном конце Г-образно изогнутых пластинчатых пружин. Пластинчатые пружины другим концом жестко закреплены на торце ротора. Деформирующие элементы охватывают заготовку. В результате расширяются технологические возможности, увеличивается производительность и улучшается качество обработанной поверхности. 5 ил.

Способ обкатывания поверхностным пластическим деформированием заготовок нежестких валов со сложно-профильными поверхностями, включающий сообщение заготовке и многоэлементному деформирующему инструменту вращательных движений вокруг собственных осей и продольной подачи деформирующему инструменту, отличающийся тем, что используют многоэлементный деформирующий инструмент, содержащий корпус с центральным отверстием, выполненный в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала, в отверстии которого расположены деформирующие элементы, установленные на одном конце Г-образно изогнутых пластинчатых пружин из стальной холоднокатаной термообработанной ленты, которые другим концом жестко закреплены на торце ротора, при этом деформирующие элементы охватывают заготовку, а внутренний диаметр, проходящий по их вершинам при нахождении пластинчатых пружин в свободном состоянии, меньше диаметра заготовки вала на величину натяга, создаваемого с помощью пластинчатых пружин и обеспечивающего усилие поверхностного пластического деформирования.