СПОСОБ РАСКАТЫВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ С НЕПРЕРЫВНЫМ КАЧЕНИЕМ ШАРИКОВ Российский патент 2012 года по МПК B24B39/02 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для отделочно-упрочняющей обработки отверстий деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием - раскатыванием.

Известен способ и устройство для чистовой и упрочняющей обработки точно изготовленных на предварительных операциях отверстий деталей раскатыванием многоэлементным жестким инструментом с установленными на заданный размер свободными роликами или шариками [1].

Известный способ и реализующее его устройство отличаются ограниченными возможностями, низкой стойкостью, недостаточной глубиной упрочненного слоя и недостаточной степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, при этом пластическая деформация поверхностного слоя оказывается неравномерной из-за погрешности предшествующей обработки.

Задача изобретения - расширение технологических возможностей, снижение себестоимости обработки за счет повышения стойкости инструмента для раскатывания, повышение производительности, точности и качества обработки путем использования большого количества деформирующих элементов - шариков с их непрерывным качением за счет возврата и циркуляции, обеспечивающие равномерность движения, высокий КПД и удобство в эксплуатации, кроме того, обеспечение большой глубины упрочненного слоя, высокой степени упрочнения обрабатываемой поверхности и равномерной пластической деформации поверхностного слоя.

Поставленная задача решается предлагаемым способом раскатывания отверстий, включающим сообщение заготовке возвратно-вращающегося движения, а инструменту, содержащему оправку с деформирующими элементами в виде шариков, расположенных в канавке и удерживаемых от выпадения планками, сообщение возвратно-поступающей продольной подачи, причем деформирующим элементам дополнительно сообщается продольная и поперечная подачи за счет того, что канавка выполнена винтовой, начало и конец которой соединены каналом, служащим для возврата и циркуляции шариков, при этом канал имеет две изогнутые радиальные ветви, изготовленные из трубок, и продольную ветвь, расположенную в центре на осевой линии оправки и выполненную в виде центрального отверстия, кроме того, для беспрепятственного прохождения шариков внутренний диаметр канала d_к определяется по формуле:

d_к=1,41·d·n·[1/(1+f²)]^1/2, мм;

где d_к - внутренний диаметр канала, мм; d - диаметр деформирующего элемента - шарика, мм; n - коэффициента надежности, равный 0,9…0,95; f - коэффициент трения, равный 0,3…0,45;

при этом радиус R_MIN изогнутых радиальных ветвей возвратного канала должен быть не менее значения, определяемого по формуле:

R_MIN>0,125(d²-4d), мм;

где R_MIN - радиус изогнутых радиальных ветвей возвратного канала, мм.

Особенности способа и инструмента для раскатывания поясняются чертежами.

На фиг.1 показана схема обработки отверстия поверхностным пластическим деформированием - раскатыванием предлагаемым способом с использованием разработанного инструмента, общий вид с частичным продольным разрезом; на фиг.2 - общий вид инструмента сверху, вид по А на фиг.1; на фиг.3 - общий вид инструмента слева, вид по Б, частичный поперечный разрез; на фиг.4 - продольный разрез по В-В на фиг.2, условно показано сечение радиальных ветвей вдоль осевых линий изогнутых трубок; на фиг.5 - поперечный ступенчатый разрез по Г-Г на фиг.4; на фиг.6 - поперечный ступенчатый разрез по Д-Д на фиг.4.

Предлагаемый способ и конструкция инструмента предназначены для чистовой обработки отверстия заготовки поверхностным пластическим деформированием (ППД) - раскатыванием множеством деформирующих элементов - шариков, которые катятся по впадине канавки инструмента и контактируют с обрабатываемой поверхностью заготовки, перемещаясь в направлении канала возврата и циркуляции, при вращении заготовки со скоростью V_З и перемещении инструмента с продольной подачей S_ПР.

Инструмент, реализующий предлагаемый способ, предназначен для раскатывания отверстий и относится к многоэлементным жестким инструментам с установленными на заданный размер свободными деформирующими элементами. Он содержит рабочую часть - оправку 1 с деформирующими элементами в виде шариков 2 и хвостовую часть 3, например конус Морзе, для крепления инструмента в механизме привода продольной подачи (не показан).

Деформирующие элементы - шарики расположены в винтовой канавке 4 оправки и удерживаются от выпадения планками 5, закрепленными к наружной поверхности оправки винтами 6. Если считать начало канавки от левого торца (согласно фиг.1, 2, 4) оправки, которым она входит в обрабатываемое отверстие, при вращении заготовки по часовой стрелки, то шарики, перекатываясь в канавке, будут перемещаться в продольном направлении слева направо, так как канавка выполнена винтовой. Тогда концом канавки будет считаться часть канавки, расположенная у хвостовой части инструмента.

Начало и конец винтовой канавки, по которой при обработке катятся шарики, соединены каналом, служащим для возврата и циркуляции шариков. Канал возврата и циркуляции шариков имеет две изогнутые радиальные ветви, изготовленные из трубок 7, 8, и продольную ветвь, расположенную в центре на осевой линии оправки и выполненную в виде центрального отверстия 9. Для установки изогнутой трубки 7 со стороны левого торца (согласно фиг.4) в оправке расточено центральное ступенчатое отверстие 10 и поперечное отверстие 11. Неподвижная установка и закрепление трубки 7 в отверстиях оправки осуществлены, например, с помощью клея, а может также чеканкой, пайкой и другими известными способами. Центральное отверстие оправки со стороны левого торца закрыто резьбовой пробкой 12.

Для установки изогнутой трубки 8 со стороны правого торца (согласно фиг.4) в оправке расточено центральное ступенчатое отверстие 13 и поперечное отверстие 14. Неподвижная установка и закрепление трубки 8 в отверстиях 13 и 14 оправки осуществлены аналогично установке трубки 7.

Крайняя правая ступень центрального отверстия 13 оправки выполнена резьбовой и используется для соединения с помощью резьбовой шейки 15 с хвостовой частью 3. Продольная ветвь 9 канала возврата и циркуляции, расположенная в центре на осевой линии оправки, выполнена сверлением и развертыванием и изготовлена соосно центральным ступенчатым отверстиям 10 и 13.

Для беспрепятственного прохождения шариков по каналу возврата и циркуляции его внутренний диаметр d_к должен быть выполнен большим диметра d деформирующего элемента - шарика на величину зазора, зависящую от коэффициентов трения и надежности [2].

Внутренний диаметр d_к канала определяется по формуле:

d_к=1,41·d·n[1/(1+f²)]^1/2, мм;

где d_к - внутренний диаметр канала, мм; d - диаметр деформирующего элемента - шарика, мм; n - коэффициента надежности, равный 0,9…0,95; f - коэффициент трения, равный 0,3…0,45.

Надежная работа инструмента, особенно в части возврата шариков после их прохождения по винтовой канавки и попадания в канал возврата и циркуляции, зависит от радиуса R изгиба радиальных ветвей, изготовленных из трубок (см. фиг.4, 5, 6). Радиус R изгиба изогнутых радиальных ветвей возвратного канала должен быть не менее значения, определяемого по формуле:

R_MIN>0,125(d²-4d), мм,

где R_MIN - минимально допустимый радиус изогнутых радиальных ветвей возвратного канала, мм [2].

Избежать заклинивания шариков при движении их по винтовой канавке можно известными способами и устройствами, например опорой на вставки из фторопласта (не показаны), которые могут быть проложены по днищу винтовой канавки [1] с.391, рис.10.

Отличительной особенностью предлагаемого способа и инструмента для раскатывания является то, что деформирующие элементы установлены в винтовой канавке, образующей несколько витков на наружной поверхности оправки. Расположение деформирующих элементов в винтовой канавке и движение их в ней позволяет расширить технологические возможности процесса ППД и совместить раскатывание с выглаживанием [1], с.410…412. Винтовая канавка изменяет направление и траекторию движения шариков, добавляя к продольному перемещению деформирующих элементов со скоростью подачи S_ПР, осуществляемому с помощью оправки, дополнительное продольное перемещение за счет винтовой канавки. В процессе дополнительного выглаживания при определенном усилии происходит пластическая деформация поверхностного слоя, в результате чего сминаются микронеровности и изменяются физико-механические свойства поверхностного слоя.

Другой отличительной особенностью предлагаемого способа и инструмента является возможность раскатывания без продольной подачи S_ПР оправки, при этом продольная подача деформирующих элементов осуществляется за счет их затягивания вращающейся заготовкой вдоль винтовой направляющей канавки. Траектории следов деформирующих элементов на обработанной поверхности будут располагаться под углом относительно продольной оси, равным углу наклона винтовой канавки.

Третьей отличительной особенностью предлагаемого способа и инструмента для раскатывания является то, что деформирующие элементы, отработав и пройдя винтовую канавку от начала до конца, возвращаются по каналу возврата и циркуляции к началу винтовой канавки оправки.

Также отличительной особенностью инструмента, реализующего предлагаемый способ, является отсутствие сепаратора, позволяющее компактно расположить и увеличить количество деформирующих элементов.

Предлагаемый способ и инструмент работают следующим образом.

Количество витков канавки с деформирующими элементами - шариками на наружной поверхности раскатывающей оправки зависит от размеров обрабатываемого отверстия, требуемой производительности и качества, конкретных условий обработки и технических требований к обрабатываемой поверхности и др. факторов. Направление витков канавки возможно как правое, так и левое. В одном случае необходимо предотвращать самозатягивание, в другом осуществлять силовую продольную подачу.

Применительно к обработке на токарном станке заготовке сообщают возвратно-вращательное движение V_З, а раскатывающему инструменту сообщают возвратно-поступательную продольную подачу S_ПР.

Как только инструмент для раскатывания введен в отверстие заготовки, деформирующие элементы - шарики увлекаются вращающейся заготовкой и катятся по наружной винтовой канавке, например, от начала к ее концу. При этом часть деформирующих элементов, находящихся во внутреннем возвратном канале, будут перемещаться в обратном направлении от конца к началу винтовой канавки. Это перемещение в обратном направлении будет осуществляться за счет того, что к концу винтовой канавки будут поступать все новые отработанные шарики и оказывать давление на шарики, находящиеся во внутреннем возвратном канале, при этом место в начале винтовой канавки будет освобождаться укатившимися по винтовой канавке шариками и заполнится шариками, выдавленными из внутреннего возвратного канала.

Такая кинематика движения шариков используется в конструкции передачи винт-гайка качения [3], а также в приспособлениях при автоматизации процесса калибрования для возврата шариков [1], с.410, рис.29.

В результате такого непрерывного качения шариков происходит интенсивное воздействие деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность, которое существенно улучшает качество обработанной поверхности и повышает в несколько раз производительность.

Повышение качества обработки происходит за счет обеспечения плавного изменения продольной подачи S_ПР инструмента относительно обрабатываемой поверхности, а также за счет введения выхаживания при S_ПР=0 продольной подачи инструмента для раскатывания, равной нулю, в конце обработки. При отключении продольной подачи (S_ПР=0) шарики не останавливаются в своем продольном перемещении, а продолжают перемещаться по винтовой канавке оправки как в поперечном, так и в продольном направлениях. Продольная подача шариков при продольной подачи оправки, равной нулю, носит название - продольная подача самозатягиванием - S_С.

Таким образом, с одной установки непрерывно и последовательно осуществляются размерная обработка при S_ПР>0 и доводка поверхности отверстия при S_ПР=0 за счет действия самозатягивающей подачи S_C.

В результате раскатки предлагаемым способом шероховатость поверхности деталей из стали, чугуна и цветных металлов снижается. Перед раскатыванием таким способом отверстия обрабатывают тонким растачиванием или развертыванием с допуском на диаметры 0,01 мм и параметром шероховатости поверхности Ra≤8 мкм. Припуск на обработку не должен превышать 0,02…0,03 мм на диаметр [1], с.383…397.

При изготовлении инструмента, реализующего предлагаемый способ, его детали обрабатывают с точностью по 6-му квалитету и параметром шероховатости поверхности Ra=0,2…0,4 мкм. Радиальное биение собранного инструмента по шарикам при проверке на центрах не должно превышать 8…10 мкм. Рабочие поверхности оправки, хвостовика и шариков закаливают до твердости HRC 62…64.

Изменение размеров поверхности при раскатывании связано со смятием микронеровностей и пластической объемной деформацией заготовки. Таким образом, точность обработанной заготовки будет зависеть от ее конструкции и конструкции инструмента, режимов обработки, а также от точности размеров, формы и качества поверхности заготовки, полученных при обработке на предшествующем переходе.

При обработке предлагаемым способом жестких заготовок изменение их размеров вызвано уменьшением микронеровностей на поверхностях. Величина изменения размера зависит от состояния исходной поверхности. При этом точность размеров существенно не меняется. Процесс обработки разработанным способом характеризуется небольшими натягами и поэтому также сопровождается незначительными изменениями размеров. При раскатывании тонкостенных заготовок точность их размеров можно повысить на 10…20%, а отклонение формы при этом составит 10…30 мкм.

При смене продольной подачи инструмента для раскатывания «справа налево» на обратную «слева направо» (согласно фиг.1) на обработанной поверхности формируется износостойкий регулярный микрорельеф с перекрестным направлением рисок и неровностями малой и однородной высоты, что способствует лучшему удерживанию смазки обработанной поверхностью и, следовательно, увеличит износостойкость деталей машин.

Неблагоприятные условия обработки заготовки вблизи торцов приводят к увеличенной пластической деформации заготовки на участках длиной 3…15 мм. При высоких требованиях к точности следует проводить обработку с малыми усилиями, устанавливать предохранительные шайбы и т.п.

Наиболее целесообразно предлагаемым способом обрабатывать исходные поверхности 7…11-го квалитетов, используя инструмент жесткого копирующего типа.

При ППД раскатыванием предлагаемым способом практически достигаются параметры шероховатости обрабатываемой поверхности Ra=0,2…0,8 мкм при исходных значениях этих параметров 0,8…6,3 мкм. Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от материала, рабочего усилия или натяга, подачи, исходной шероховатости, конструкции инструмента и деформирующих элементов и т.д.

Раскатывание следует проводить так, чтобы заданные результаты достигались за один проход.

Скорость не оказывает заметного влияния на результаты обработки и выбирается с учетом требуемой производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость составляет 30…150 м/мин.

Значение усилия раскатывания выбирают в зависимости от цели обработки. Оптимальное усилие P_N(Н), соответствующее максимальному пределу выносливости, определяют по формуле:

P_N=10(50+d²/6)H,

где d - диаметр раскатываемого отверстия заготовки, мм.

Для многоэлементного инструмента, каковым является рассматриваемый инструмент, принимают подачу S_ПР=0,1…3,0 мм/об [1]. Оптимальная подача S_ПРШ деформирующего элемента - шарика не должна превышать S_ПРШ=0,01…0,05 мм на один оборот заготовки. Подачу инструмента на один оборот заготовки определяют по формуле S_ПР=kS_ПРШ; где k - число деформирующих элементов.

Смазывающе-охлаждающей жидкостью при раскатывании предлагаемым способом служат: машинное масло, смесь машинного масла с керосином (по 50%), сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.

В качестве примера проводилась обработка отверстия гидроцилиндра на токарно-винторезном станке мод. 16К20Т1 с ЧПУ, оснащенным конструкцией раскатывающего инструмента с деформирующими элементами в виде шариков в количестве 42 шт., в том числе в винтовой канавке 32 шт.

Материал обрабатываемой заготовки - отливки гидроцилиндра - специальный чугун, имеющий химический состав (в %): С - 3,2…3,4; Si - 2,0…2,3; Mn - 0,5…0,8; Cr - 0,25…0,40; Ni - 0,10…0,25; P≤0,20; S≤0,15; Fe - остальное. Механические свойства чугуна: 170…241 НВ; σ_в>206 Н/мм²; σ_из=432 Н/мм². Диаметр обрабатываемого отверстия ⌀ 99,56…⌀ 99,50 мм; шероховатость - R_a=0,32 мкм.

Режимы раскатывания: V_И=19 м/мин; подачу на один оборот заготовки определяли по формуле S_ПР=kS_ПРШ=32·0,05=1,6 мм/об.

Значения технологических факторов выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность поверхностного пластического деформирования элементарной площадки обрабатываемой поверхности в диапазоне 6…10. Дальнейшее увеличение кратности деформирования не значительно влияет на эффективность обработки.

Предлагаемый способ для раскатывания позволил повысить производительность в 1,5…2 раза, исключить операцию получистовой обработки благодаря улучшению шероховатости поверхности на 1…2 класса. Использование большого количества деформирующих элементов - шариков с их непрерывным качением за счет возврата и циркуляции в сочетании с винтовым расположением канавки, в которой расположены деформирующие элементы, и эффекта самозатягивания облегчает деформацию микронеровностей обрабатываемой поверхности. Предлагаемый способ для раскатывания обеспечивает низкую себестоимость изготовления заготовок благодаря простоте конструкции инструмента. Предлагаемый способ позволяет повысить режимы и производительность обработки в несколько раз без ухудшения качества обработанной поверхности. Кроме того, в таких условиях стойкость инструмента возрастает в два и более раз по сравнению со стойкостью при традиционном раскатывании, облегчается деформация микронеровностей, уменьшается расход энергии на деформирование и трение. Предлагаемый способ целесообразно и эффективно использовать при обработке заготовок малой жесткости из труднообрабатываемых материалов и сплавов.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности, снижает себестоимость изготовления заготовок благодаря повышению стойкости инструмента, повышает производительность, точность и качество обработки путем использования большого количества деформирующих элементов - шариков с их непрерывным качением за счет возврата и циркуляции, обеспечивает равномерность движения, высокий КПД и удобство в эксплуатации, а также большую глубину упрочненного слоя, достаточно высокую степень упрочнения обрабатываемой поверхности и равномерную пластическую деформацию поверхностного слоя.

Источники информации, принятые во внимание

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.383…397, таблица 4, рис.9.

2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 /Под ред. В.М.Кована. - 2-е изд., исправ. и доп. - М.: Машгиз. 1963. - С.233…236; 244…247.

3. Металлорежущие системы машиностроительных производств: учеб. пособие для студентов технических вузов / О.В.Таратынов, Г.Г.Земсков, И.М.Баранчукова и др. Под ред. Г.Г.Земскова, О.В.Таратынова. - М.: Высш. Шк., 1988, с.19…23.

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к способам упрочняющей обработки отверстий деталей. Сообщают заготовке возвратно-вращательное движение. Сообщают продольную подачу инструменту, содержащему оправку с деформирующими элементами в виде шариков, расположенных в канавке и удерживаемых от выпадения планками. Канавка выполнена винтовой для обеспечения деформирующим элементам продольной и поперечной подач. Начало и конец канавки соединены каналом для возврата и циркуляции шариков. Канал имеет две изогнутые радиальные ветви, изготовленные из трубок, и продольную ветвь, расположенную в центре на осевой линии оправки. В результате расширяются технологические возможности, повышается производительность, точность и качество обработки. 6 ил.

Способ раскатывания отверстий, включающий сообщение заготовке возвратно-вращающегося движения, а инструменту, содержащему оправку с деформирующими элементами в виде шариков, расположенных в канавке и удерживаемых от выпадения планками, сообщение возвратно-поступающей продольной подачи, отличающийся тем, что деформирующим элементам дополнительно сообщают продольную и поперечную подачи посредством выполнения канавки винтовой, начало и конец которой соединены каналом, служащим для возврата и циркуляции шариков, при этом канал имеет две изогнутые радиальные ветви, изготовленные из трубок, и продольную ветвь, расположенную в центре на осевой линии оправки и выполненную в виде центрального отверстия, при этом для беспрепятственного прохождения шариков внутренний диаметр канала d_к определяют по формуле:
d_к=1,41·d·n·[1/(1+f²)]^1/2, мм;
где d_к - внутренний диаметр канала, мм; d - диаметр деформирующего элемента - шарика, мм; n - коэффициент надежности, равный 0,9…0,95; f -коэффициент трения, равный 0,3…0,45;
при этом радиус R_MIN изогнутых радиальных ветвей возвратного канала должен быть не менее значения, определяемого по формуле: R_MIN>0,125(d²-4d), мм;
где R_MIN - радиус изогнутых радиальных ветвей возвратного канала, мм.