УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО УПРОЧНЕНИЯ 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 валов, например винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей со скругленно-синусоидальным профилем, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей.

Известен способ и устройство для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования валов или винтов винтовых насосов, содержащее боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент для обработки с натягом, установленный на свободном конце волновода с возможностью приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки с помощью бойка и волновода, при этом деформирующий инструмент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, свернутой в кольцо, внутренний диаметр которого меньше диаметра заготовки на величину двойного натяга для обеспечения статической нагрузки, при этом свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина установлена с возможностью охватывания заготовки, кроме того, свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина содержит натяжное устройство для регулирования статической нагрузки [1, 2].

Недостатками известного способа и устройства являются узкие технологические возможности и конструктивно сложный привод деформирующего устройства, оснащенного механизмами статического и импульсного нагружения инструмента, в виде гидравлического генератора импульсов, который отличается низким КПД, большой энергоемкостью. Все это повышает себестоимость обработки, снижает производительность, ухудшает качество обрабатывающей поверхности, требует сложной и длительной настройки.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей ППД упрочнения сложнопрофильных поверхностей путем использования охватывающего инструмента с деформирующими элементами в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной и расположенной на внутренней поверхности полого вала-ротора электродвигателя и позволяющей улучшить качество обрабатываемой поверхности, повысить КПД и производительность и снизить себестоимость и энергоемкость процесса обработки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования упрочнением валов и заготовок с винтовыми и сложнопрофильными поверхностями, содержащего корпус с центральным отверстием и деформирующие элементы, при этом устройство снабжено ротором в виде полого вала, корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор, с торцов которого на поверхности отверстия выполнены резьбовые части, деформирующие элементы в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной с возможностью охватывания заготовки, и расположены в отверстии ротора на упругой втулке, при этом упругая втулка закреплена с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части поверхности отверстия ротора с возможностью регулирования и установки жесткости упругой втулки.

Особенности конструкции устройства поясняются чертежами.

На фиг.1 показана схема реализации предлагаемого устройства 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 - разрез по Б-Б на фиг.1.

Предлагаемое устройство предназначено для пластического деформирования упрочнением валов и заготовок с винтовыми и сложнопрофильными поверхностями (например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей со скругленно-синусоидальным профилем, цилиндрических валов, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей), работа его заключается в том, что обрабатываемой заготовке и деформирующему инструменту сообщают вращательные движения V_З и V_И соответственно, при этом устройству с деформирующим инструментом сообщают движение продольной подачи S_ПР, а создание натяга обеспечивается поперечной подачей S_ПОП. Устройство 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 устройства - продольную подачу S_ПР и возможность движения S_ПОП в поперечном направлении для создания натяга N, необходимого для упрочнения.

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 на упругой втулке 7 расположены деформирующие элементы 8 в виде витков винтовой цилиндрической пружины 2, винтообразно скрученной и охватывающей заготовку 1. Упругая втулка 7 изготовлена, например, из полиуретана СКУ-7Л, резины, поролона и др. упругих материалов. Если втулка изготовлена из резины, то при вулканизации резина прочно соединяется с металлическими витками винтовой цилиндрической винтообразно скрученной пружины 2. Пружина 2 своими витками посажена во втулку 7 таким образом, что три четверти витка с наружным диаметром d расположены во втулке 7 и только одна четвертая часть d витка свободно находится в отверстии втулки 7 и выступает над внутренней поверхностью. Упругая втулка 7 посажена в отверстии ротора 6 по тугой посадке.

С торцов ротора 6 упругая втулка 7 закреплена с помощью гаек 9, ввернутых с каждого торца в резьбовые части отверстия ротора 6. Кроме того, гайки 9 служат не только для крепления и предотвращения продольного смещения упругой втулки в отверстии ротора, но и для регулирования и установки необходимой жесткости упругой втулки 7, влияющей и поддерживающей натяг N установки деформирующих элементов.

Усилие Р упрочнения, воздействующее через деформирующие элементы - витки пружины - на обрабатываемую поверхность заготовки 1, задается поперечной подачей S_ПОП. Предлагаемая конструкция устройства и крепления деформирующего инструмента 2 в отверстии вала-ротора 6 электродвигателя, установленного, например, на поперечном суппорте токарного станка (не показан), позволяет деформирующим элементам, выполненным в виде витков пружины, прогибаться и совершать поперечные движения А_ПОП, вызванные эксцентричным смещением и расположением некоторых участков обрабатываемой винтовой поверхности.

Так, например, поперечные смещения А_ПОП деформирующих элементов 8 при обработке винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500 будут равны эксцентриситету e₁=1,65 мм, см. фиг.1.

Переход контакта инструмента 2 с заготовкой 1 с одного деформирующего элемента 8 на другой деформирующий элемент вызывает импульсно-ударную пластическую деформацию поверхностного слоя заготовки.

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

Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности, полученные с помощью предлагаемого устройства, 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 устройства и числа проходов.

Несмотря на то что скорость вращения инструмента V_И не регулируется, так как используется асинхронный электродвигатель, устройство позволяет плавно регулировать результирующую скорость упрочнения. Известно, что при вращении заготовки со скоростью V_З и инструмента - V_И в разных направлениях, когда инструмент охватывает заготовку (см. фиг.1-2, 4), результирующая скорость обработки равна сумме скоростей, а при вращении в одном направлении - результирующая скорость обработки равна разности скоростей V_З и V_И. Поэтому в последнем случае при регулировании скорости заготовки V_З плавно регулируется результирующая скорость обработки, при постоянной скорости инструмента V_И. Таким образом, чтобы плавно регулировать результирующую скорость упрочнения, необходимо включить скорости заготовки V_З и инструмента V_И в одном направлении.

Режимы импульсно-ударного деформирования для предлагаемого устройства, оснащенного, например, пружиной из термообработанной стали марки 65Г, которая изготовлена из проволоки диаметром 2 мм, диаметр витка пружины - d=35 мм, число витков - 48 при шаге 10 мм, винтообразно скручена и три раза охватывает стальную заготовку (см. фиг.1), следующие: окружная скорость вала ротора - V_И≈2,0…4,0 м/с, окружная скорость заготовки - V_З≈0,05…0,5 м/с, число проходов - 2…3, натяг - 0,5…1,5 мм.

В результате импульсно-ударной пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя предлагаемым устройством параметр шероховатости поверхности повышается до R_a=0,08…0,4 мкм при исходном значении R_a=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 R_a=0,4…1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью R_a=3,2 мкм.

Устройство 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.

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

При промышленных испытаниях устройства обрабатывали установленную в патроне с электромеханическим приводом токарного станка 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 - D₁=27^-0,05 мм, эксцентриситет - е₁=1,65 мм, шаг t=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 разработанного устройства, на базе электродвигателя IM5010, модель 4АВ132В6, 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≈2,5 м/с; окружная скорость заготовки - V_З≈0,25 м/с, число проходов - 3, натяг - 0,5 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. Значения технологических факторов (частота 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 R_a=3,2 мкм, достигнутый - R_a=0,32 мкм; деформирующий инструмент - деформирующие витки из стали 65Г, твердостью HRC 63…65, внутренний радиус по вершинам деформирующих элементов 30,57 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.

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

Требуемая шероховатость и точность винтовой поверхности были достигнуты через Т_м=3,6 мин (против Т_м ^баз=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) составляли 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 несоседними 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 предлагаемым устройством предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Импульсно-ударное деформирование в процессе благоприятно сказывается на условиях работы устройства. 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 «отдыхают», 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.

Предлагаемое устройство 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 2324584. МПК В24В 39/04. Способ статико-импульсного поверхностного пластического деформирования. Степанов Ю.С, Киричек А.В., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С, Самойлов Н.Н., Василенко Ю.В., Подзолков М.Г., Селеменев К.Ф. Заявка №2006132948/02, 13.09.06; 20.05.08. Бюл. №14.

2. Патент РФ 2325265. МПК В24В 39/04. МПК В24В 39/00. Устройство для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования. Степанов Ю.С, Киричек А.В., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Самойлов Н.Н., Василенко Ю.В., Подзолков М.Г., Селеменев К.Ф. Заявка №2006132949/02; 13.09.06; 27.05.08. Бюл. №15.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к устройствам для обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием валов и заготовок с винтовыми и сложнопрофильными поверхностями. Устройство содержит корпус с центральным отверстием, 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. С торцов ротора на поверхности его отверстия выполнены резьбовые части. Деформирующие элементы выполнены в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной с возможностью охватывания заготовки, и расположены в отверстии ротора на упругой втулке. Упругая втулка закреплена с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части поверхности отверстия ротора с возможностью регулирования и установки жесткости упругой втулки. В результате расширяются технологические возможности, увеличивается производительность и улучшается качество обработанной поверхности. 4 ил.

Устройство для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования упрочнением валов и заготовок с винтовыми и сложнопрофильными поверхностями, содержащее корпус с центральным отверстием и деформирующие элементы, отличающееся тем, что оно снабжено ротором в виде полого вала, корпус выполнен в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор, с торцов которого на поверхности отверстия выполнены резьбовые части, деформирующие элементы выполнены в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной с возможностью охватывания заготовки, и расположены в отверстии ротора на упругой втулке, при этом упругая втулка закреплена с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части поверхности отверстия ротора с возможностью регулирования и установки жесткости упругой втулки.