ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВИБРОГОЛОВКА ДЛЯ ОБКАТЫВАНИЯ Российский патент 2011 года по МПК B24B39/04 

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 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 и других сложнопрофильных наружных поверхностей после соответствующей модернизации является весьма сложной, а в ряде случаев невозможной, при этом невысокая производительность и сложная длительная настройка повышают 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 устройства являются узкие технологические возможности, при которых чистовая обработка поверхностным пластическим деформированием винтовых наружных поверхностей после соответствующей модернизации является весьма сложной, а в ряде случаев невозможной. Кроме того, конструктивно сложный привод, состоящий из двух индивидуальных 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 с деформирующими элементами, закрепленными на плоских пластинчатых пружинах и находящимися на внутренней поверхности ротора 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 цилиндрических и винтовых поверхностей, содержащей корпус с центральным отверстием и деформирующими элементами, причем она снабжена копиром в виде диска с центральным отверстием, жестко закрепленным на торце корпуса, и ротором в виде полого вала, на поверхности отверстия которого выполнены шлицевые пазы, при этом на поверхности центрального отверстия копира выполнены выступы и впадины, корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован упомянутый ротор, в отверстии последнего установлены V-образно изогнутые плоские пластинчатые пружины из стальной холоднокатаной термообработанной ленты, выполненные с возможностью создания натяга, обеспечивающего усилие поверхностного пластического деформирования, деформирующие элементы закреплены в средней части пластинчатых пружин, которые одним концом жестко закреплены на торце ротора, а другим концом расположены в центральном отверстии копира с возможностью воздействия на них упомянутых выступов и впадин копира, причем деформирующие элементы расположены с возможностью схватывания заготовки с образованием внутреннего диаметра, проходящего через их вершины, при нахождении пластинчатых пружин в свободном состоянии, меньшего диаметра заготовки на величину натяга.

Особенности конструкции и работа головки поясняются чертежами.

На фиг.1 показана схема реализации предлагаемой головки для обкатывания и упрочнения винтовой поверхности, частичный продольный разрез; на фиг.2 - вид с одного торца по А на фиг.1; на фиг.3 - сечение по Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - вид с другого торца по В на фиг.1, плоские пружины с деформирующими элементами в положении обкатывания; на фиг.5 - вид с другого торца по В на фиг.1, плоские пружины с деформирующими элементами в положении удара.

Предлагаемая головка предназначена для пластического деформирования винтовых, цилиндрических и других сложнопрофильных поверхностей (например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с округленно-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 V_З и V_И соответственно, при этом головке с деформирующим инструментом сообщают движение продольной подачи S_ПР. 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 V_З вокруг собственной центральной оси, а импульсно-ударному деформирующему инструменту 2 - продольную подачу S_ПР.

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 шлицевом отверстии ротора 6 установлены V-образно изогнутые плоские пластинчатые пружины 7, изготовленные из стальной холоднокатаной термообработанной ленты. В средней части пластинчатых пружин 7 закреплены деформирующие элементы 8, например шарики, ролики и др.

Пластинчатые пружины 7 располагаются в шлицевых пазах 9 отверстия ротора и одним концом жестко закреплены на одном торце ротора 6 болтами 10. Шлицевые пазы в отверстии ротора предназначены для передачи вращающего момента ротора деформирующим элементам и предотвращения продольного закручивания плоских пружин, поэтому последние плотно посажены в шлицевых пазах.

Другой конец пластинчатых пружин 7 свободен, находится в шлицевых пазах отверстия ротора, выходит за его габариты и располагается в центральном отверстии копира 11, выполненного в виде диска и жестко закрепленного на торце корпуса 3. Центральное отверстие копира 11 выполнено в виде выступов 12 и впадин 13. Таким образом, на свободный конец плоской пружины 7 при вращении ротора 6 воздействуют выступы 12 и впадины 13 копира 11, превращая свободное обкатывание в импульсно-ударное поверхностное пластическое деформирование (ППД) с упрочняющим эффектом.

Количество деформирующих элементов 8 выбирают по конструктивным соображениям и с учетом того, чтобы они охватывали заготовку 1.

Внутренний диаметр «d» по вершинам деформирующих элементов 8, закрепленных на пластинчатых пружинах 7, находящихся в свободном состоянии без заготовки, меньше обрабатываемого диаметра D₁ заготовки на величину натяга, от которого зависит усилие обкатывания, когда конец пластинчатой пружины находится во впадине копира. Усилие Р импульсно-ударного воздействия деформирующих элементов 8 на обрабатываемую поверхность заготовки 1 задается перепадом «К» выступа 12 над впадиной 13 и жесткостью пружин (см. фиг.5).

Предлагаемая конструкция головки и крепление деформирующего инструмента 2 в отверстии вала ротора 6 электродвигателя, установленного, например, на поперечном суппорте токарного станка (не показан), позволяет совершать колебательные движения деформирующих элементов 8, закрепленных на пластинчатых пружинах 7, реализуя импульсно-ударную пластическую деформацию поверхностного слоя заготовки.

Кинематическая 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 по протяженности и сложности и исключает использование промежуточных ременных, зубчатых и других передач и редукторов, поэтому предлагаемое устройство имеет высокий КПД.

С целью создания усилия Р для импульсно-ударного поверхностного пластического деформирования установлен копир, оказывающий давление на пластинчатые пружины и, соответственно, на деформирующие элементы 8 в поперечном направлении. Подвижное крепление деформирующих элементов 8 на пластинчатых пружинах 7 осуществляется известными способами.

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 заготовки, величины продольной подачи инструмента 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 - V_И≈0,05…1,5 м/с, окружная скорость заготовки - V_З≈20…40 м/с, число проходов - 2…3, натяг - 1,1…2,5 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, установленную в патроне с электромеханическим приводом токарного станка мод. 16К20Ф3 обрабатывали заготовку винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса марки 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 R_a=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, имеющего частоту вращения вала - ротора n=750 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 - V_И≈1,2 м/с; окружная скорость заготовки - V_З≈15 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 0,03 мм (0,015 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 ШХ 15, твердостью HRC 63…65.

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 Т_м=3,45 мин (против Т_м ^баз=10,6 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 0,20…0,25 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 R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 5 раз.

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

Импульсно-ударное деформирование способствует 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 увеличивается 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.

Подвижное соединение и установка деформирующих элементов на таких пластинчатых пружинах, как люнет центрирует заготовку, позволяет повысить точность обработки нежестких заготовок и исключить влияние биения поверхности заготовок, приобретенное на предыдущих операциях.

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 импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием. Охватывающая головка содержит корпус с центральным отверстием, деформирующие элементы, копир в виде диска с центральным отверстием, жестко закрепленный на торце корпуса, и ротор в виде полого вала. На поверхности отверстия ротора выполнены шлицевые пазы. На поверхности центрального отверстия копира выполнены выступы и впадины. Корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован упомянутый ротор. В отверстии ротора установлены V-образно изогнутые плоские пластинчатые пружины. Деформирующие элементы закреплены в средней части пластинчатых пружин. Пластинчатые пружины одним концом жестко закреплены на торце ротора, а другим концом расположены в центральном отверстии копира с возможностью воздействия на них упомянутых выступов и впадин копира. Деформирующие элементы расположены с возможностью схватывания заготовки. В результате расширяются технологические возможности и увеличивается производительность. 5 ил.

Охватывающая головка для поверхностного пластического деформирования цилиндрических и винтовых поверхностей, содержащая корпус с центральным отверстием и деформирующими элементами, отличающаяся тем, что она снабжена копиром в виде диска с центральным отверстием, жестко закрепленным на торце корпуса, и ротором в виде полого вала, на поверхности отверстия которого выполнены шлицевые пазы, при этом на поверхности центрального отверстия копира выполнены выступы и впадины, корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован упомянутый ротор, в отверстии последнего установлены V-образно изогнутые плоские пластинчатые пружины из стальной холоднокатаной термообработанной ленты, выполненные с возможностью создания натяга, обеспечивающего усилие поверхностного пластического деформирования, деформирующие элементы закреплены в средней части пластинчатых пружин, которые одним концом жестко закреплены на торце ротора, а другим концом расположены в центральном отверстии копира с возможностью воздействия на них упомянутых выступов и впадин копира, причем деформирующие элементы расположены с возможностью схватывания заготовки с образованием внутреннего диаметра, проходящего через их вершины, при нахождении пластинчатых пружин в свободном состоянии, меньшего диаметра заготовки на величину натяга.