ЭЛЕКТРОГОЛОВКА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВЫХ И СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2011 года по МПК B24B39/04 

Описание патента на изобретение RU2420392C2

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к изготовлению оснастки для обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием (ППД) и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрических, винтовых и сложнопрофильных поверхностей, например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с округленно-синусоидальным профилем, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей.

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 [1, 2].

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

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

Поставленная задача решается с помощью предлагаемой охватывающей головки для поверхностного пластического деформирования винтовых, цилиндрических и сложно-профильных поверхностей, содержащая корпус с центральным отверстием и индивидуальным приводом и деформирующие элементы, причем она снабжена ротором в виде полого вала, на поверхности отверстия которого выполнена дорожка, и кронштейном, на котором закреплена пружина сжатия для задания усилия поверхностного пластического деформирования, при этом корпус установлен шарнирно на кронштейне с возможностью возвратно-колебательного поперечного движения и выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор, а деформирующие элементы расположены на упомянутой дорожке ротора.

Особенности конструкции головки поясняются чертежами.

На фиг.1 показана схема реализации предлагаемой головки для упрочнения винтовой сложнопрофильной поверхности, продольный разрез; на фиг.2 - вид по А на фиг.1, вид с торца; на фиг.3 - общий вид сбоку на фиг.1; на фиг.4 - схема упрочнения впадины и выступа обрабатываемой заготовки винта.

Предлагаемая головка предназначена для пластического деформирования винтовых и сложнопрофильных поверхностей (например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, цилиндрических валов, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей), работа которой заключается в том, что обрабатываемой заготовки и деформирующему инструменту сообщают вращательные движения Vз и Vи соответственно, при этом головке с деформирующим инструментом сообщают движение продольной подачи Sпр. Головка имеет деформирующие элементы, которые наносят по поверхности заготовки многочисленные удары, пластически деформируя и упрочняя наружную поверхность.

Для поверхностного импульсно-ударного деформирования 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 Vз вокруг собственной центральной оси, а импульсно-ударному деформирующему инструменту 2 головки - продольную подачу Sпр и возможность совершать возвратно-колебательные движения Sкол в поперечном направлении.

Головка 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 имеется дорожка 7 с расположенными в ней деформирующими элементами 8, например шариками.

Корпус-статор 3 установлен шарнирно на кронштейне 9 с возможностью возвратно-колебательного движения SКОЛ в поперечном направлении. Шарнир 10 состоит из петли 11, закрепленной на корпусе-статоре, и петли 12, принадлежащей кронштейну 9, соединенных осью 13. Ось 13 шарнира 10 установлена параллельно центральной продольной оси заготовки 1.

Усилие Р упрочнения, воздействующее через деформирующие элементы - шарики 8 на обрабатываемую поверхность заготовки 1, задается пружиной 14 сжатия, закрепленной на кронштейне 9. Регулировка усилия Р упрочнения осуществляется резьбовой пробкой 15, ввернутой в резьбовое отверстие в кронштейне 9, где установлена пружина 14.

Предлагаемая конструкция головки и крепления деформирующего инструмента 3 в отверстии вала ротора 6 электродвигателя, установленного, например, на поперечном суппорте токарного станка (не показан), позволяет корпусу 3 совершать колебательные движения Sкол, вызванные эксцентричным смещением и расположением некоторых участков обрабатываемой винтовой поверхности. Амплитуда Ак колебательного движения корпуса равна Ак=2e1, где e1 - эксцентриситет сложнофасонной поверхности (например, эксцентриситет винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500 равен e1=1,65 мм, см. фиг.1; 3; 4).

Переход контакта инструмента с заготовкой 1 с одного деформирующего элемента 8 на два деформирующих элемента вызывает импульсно-ударную пластическую деформацию поверхностного слоя заготовки.

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

С целью создания усилия Р для поверхностного пластического деформирования установлена пружина сжатия 14, оказывающая давление Р на корпус 3 и, соответственно, на деформирующие элементы 8 в поперечном направлении. Подвижное крепление деформирующих элементов 8 в дорожке 7 осуществляется известными способами, например с помощью крышки, которая крепится к торцу вала ротора болтами.

Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности, полученные с помощью предлагаемой головки, зависят от силы удара и числа ударов, приходящихся на 1 мм2 поверхности. Эти параметры, в свою очередь, зависят от окружной скорости вала ротора с деформирующими элементами 8, натяга, размера деформирующих элементов, их числа, частоты вращения, величины продольной подачи заготовки и числа проходов.

Режимы импульсно-ударного деформирования для предлагаемой головки, оснащенной, например, шариками диаметром 5…10 мм и стальных заготовок следующие: окружная скорость вала ротора - Vи≈20…40 м/с, окружная скорость заготовки - Vз≈0,05…0,5 м/с, число проходов - 2…3, натяг - 0,1…0,25 мм.

В результате импульсно-ударной пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя предлагаемой головкой 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% при глубине наклепанного слоя 0,25…2,5 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 350…750 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.

Головка для импульсно-ударного деформирования позволяет создать на обрабатываемой сложнопрофильной, в том числе винтовой, поверхности регулярный микрорельеф, способный удерживать смазывающие материалы и продлевать ресурс работы деталей при эксплуатации.

Головку для импульсно-ударного деформирования применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58…64.

При промышленных испытаниях головки, установленной на суппорте токарного станка мод. 16К20Ф3, обрабатывали установленную в патроне с электромеханическим приводом 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 Rа=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 40Х, твердость НВ 270-280, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась с использованием разработанной головки, на базе электродвигателя IM5010, модель 4АВ132 В6, имеющего частоту вращения вала ротора n=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.

Импульсно-ударное ППД вели на следующих режимах: окружная скорость инструмента - Vи≈15 м/с; окружная скорость заготовки - Vз≈0,05 м/с, число проходов - 3, натяг - 0,2 мм, продольная Sпр 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 наклепанного 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. Значения технологических факторов (частоты ударов, 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.

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, расположенные во внутренней беговой дорожке, внутренний радиус по вершинам деформирующих элементов Rк=40,57 мм.

Глубина упрочненного импульсно-ударной обработкой слоя в 3…4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном статическом обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий.

Предлагаемой головкой аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного импульсно-ударного воздействия на очаг деформации импульса энергии.

Требуемая шероховатость и точность винтовой поверхности была достигнута через Тм=3,6 мин (против Тмбаз=10,5 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 импульсно-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 раза больше, чем глубина наклепанного слоя, что согласуется с теорией поверхностного пластического деформирования.

Достигаемая в процессе обработки предлагаемой головкой предельная величина шероховатости составляет Rа=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Импульсно-ударное деформирование в процессе благоприятно сказываются на условиях работы головки. Оно приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, облегчает формирование упрочняемой поверхности.

Импульсно-ударное деформирование способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении импульсной нагрузки деформирующие элементы и деформирующая поверхность периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях импульсно-ударного деформирования резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта деформирующих элементов и заготовки.

Предлагаемая головка расширяет технологические возможности импульсно-ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности. При этом конструктивно простой привод снижает себестоимость обработки, увеличивает производительность, улучшает качество обрабатываемой поверхности, не требует сложной и длительной настройки.

Источники информации

1. 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.

2. 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 - прототип.

Похожие патенты RU2420392C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ППД ВИНТОВЫХ И СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОУПРОЧНЯЮЩЕЙ ГОЛОВКОЙ 2009
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Гаврилин Александр Михайлович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
  • Иножарский Владимир Владимирович
  • Жуков Сергей Александрович
  • Мартыненко Александр Анатольевич
RU2420391C2
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВИБРОГОЛОВКА ДЛЯ ОБКАТЫВАНИЯ 2009
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Мальцев Анатолий Юрьевич
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
  • Тарасов Дмитрий Евгеньевич
  • Бурцев Василий Сергеевич
RU2421320C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РОТОРНОГО УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВЫХ И СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 2007
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Гаврилин Александр Михайлович
  • Жирков Александр Александрович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
  • Кромин Иван Анатольевич
  • Иножарский Владимир Владимирович
RU2354531C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНО-УДАРНОГО УПРОЧНЕНИЯ 2009
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Мальцев Анатолий Юрьевич
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Тарасов Дмитрий Евгеньевич
  • Бурцев Василий Сергеевич
RU2433904C2
СПОСОБ РОТОРНОГО УПРОЧНЕНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 2007
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Гаврилин Александр Михайлович
  • Жирков Александр Александрович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
  • Кромин Иван Анатольевич
  • Иножарский Владимир Владимирович
RU2354530C1
СПОСОБ ИМПУЛЬСНО-УДАРНОГО УПРОЧНЕНИЯ 2009
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Мальцев Анатолий Юрьевич
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Тарасов Дмитрий Евгеньевич
  • Бурцев Василий Сергеевич
RU2433905C2
СПОСОБ ВИБРООБКАТЫВАНИЯ 2009
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Мальцев Анатолий Юрьевич
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
  • Тарасов Дмитрий Евгеньевич
  • Бурцев Василий Сергеевич
RU2421321C2
УПРОЧНЯЮЩАЯ ЭЛЕКТРОГОЛОВКА 2009
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Гаврилин Александр Михайлович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
  • Сотников Владимир Ильич
  • Михайлов Геннадий Александрович
RU2420389C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО УПРОЧНЕНИЯ 2009
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
  • Мальцев Анатолий Юрьевич
  • Тарасов Дмитрий Евгеньевич
  • Бурцев Василий Сергеевич
RU2433903C2
СПОСОБ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО УПРОЧНЕНИЯ 2009
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
  • Мальцев Анатолий Юрьевич
  • Тарасов Дмитрий Евгеньевич
  • Бурцев Василий Сергеевич
RU2433902C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 420 392 C2

Реферат патента 2011 года ЭЛЕКТРОГОЛОВКА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВЫХ И СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием. Охватывающая головка содержит корпус с центральным отверстием, деформирующие элементы, ротор в виде полого вала, на поверхности отверстия которого выполнена дорожка, и кронштейн. На кронштейне закреплена пружина сжатия для задания усилия поверхностного пластического деформирования. Корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор. Корпус установлен шарнирно на кронштейне с возможностью возвратно-колебательного поперечного движения. Деформирующие элементы расположены на упомянутой дорожке ротора. В результате расширяются технологические возможности, увеличивается производительность и улучшается качество обработанной поверхности. 4 ил.

Формула изобретения RU 2 420 392 C2

Охватывающая головка для поверхностного пластического деформирования винтовых, цилиндрических и сложнопрофильных поверхностей, содержащая корпус с центральным отверстием и индивидуальным приводом и деформирующие элементы, отличающаяся тем, что она снабжена ротором в виде полого вала, на поверхности отверстия которого выполнена дорожка, и кронштейном, на котором закреплена пружина сжатия для задания усилия поверхностного пластического деформирования, при этом корпус установлен шарнирно на кронштейне с возможностью возвратно-колебательного поперечного движения и выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор, а деформирующие элементы расположены на упомянутой дорожке ротора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2011 года RU2420392C2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНО-УДАРНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СФЕРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ 2004
  • Степанов Юрий Сергеевич
  • Киричек Андрей Викторович
  • Афанасьев Борис Иванович
  • Катунин Александр Валентинович
  • Самойлов Николай Николаевич
  • Катунин Андрей Александрович
  • Фомин Дмитрий Сергеевич
RU2276006C1
RU 2000918 C1, 15.10.1993
ОБКАТНЫЙ БЛОК 1990
  • Альфред Остертаг[De]
RU2037390C1
JP 61103721 A, 22.05.1986.

RU 2 420 392 C2

Авторы

Степанов Юрий Сергеевич

Киричек Андрей Викторович

Самойлов Николай Николаевич

Афанасьев Борис Иванович

Гаврилин Александр Михайлович

Фомин Дмитрий Сергеевич

Иножарский Владимир Владимирович

Жуков Сергей Александрович

Мартыненко Александр Анатольевич

Даты

2011-06-10Публикация

2009-07-29Подача