УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ С КАЛИБРОВАНИЕМ И УПРОЧНЕНИЕМ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2013 года по МПК B23D37/00 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для обработки поверхностным пластическим деформированием калиброванием, упрочнением и резанием металлических внутренних цилиндрических поверхностей деталей из сталей и сплавов со статико-импульсным нагружением деформирующе-режущего инструмента.

Известно устройство для статико-импульсного дорнования сборным инструментом, содержащее волновод и боек, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, гидравлический генератор импульсов для обеспечения приложения посредством бойка импульсной нагрузки к волноводу и сборный дорн для обработки заготовки с натягом в виде соосно установленных неподвижной части, имеющей цилиндрическую поверхность и жестко закрепленную на волноводе, и подвижной части, имеющей коническую поверхность и установленную на упомянутой неподвижной части с помощью комплекта пластинчатых пружин из условия обеспечения ее возвратно-вращательного и возвратно-поступательного движения относительно продольной оси, при этом сборный дорн выполнен из условия распределения натяга при обработке поверхности заготовки между его неподвижной и подвижной частями поровну, а комплект пластинчатых пружин выполнен из условия обеспечения следующего неравенства: (Р_ст+Р_им)>Р_пр>Р_ст, где Р_пр - общая сила комплекта пластинчатых пружин, Н; Р_ст - статическая нагрузка, Н; Р_им - импульсная нагрузка, Н [1].

Известное устройство отличается ограниченными технологическими возможностями, недостаточно большим натягом, незначительной глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, невысокой стойкостью инструмента, низким КПД и большой энергоемкостью оборудования.

Известен инструмент - протяжка, содержащая деформирующе-режущие элементы, имеющие на наружной поверхности выполненные под углом к оси протяжки заборный и обратный конусы с расположенной между ними цилиндрической ленточкой, канавки и выступы равной ширины [2]. Канавки расположены под углом к оси протяжки с образованием положительного переднего угла в нормальном сечении к боковой поверхности канавки, причем положительный передний угол расположен с левой стороны переднего торца при правом расположении канавок или с правой стороны переднего торца при левом расположении канавок, причем длина рабочего участка режущей кромки и расстояние от начала цилиндрической ленточки до заднего торца деформирующе-режущего элемента в проекции на ось протяжки определены по приведенному соотношению.

Известный инструмент отличается ограниченными технологическими возможностями, недостаточно большим натягом, незначительной глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, невысокой стойкостью инструмента, низким КПД и большой энергоемкостью оборудования.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей чистовой обработки внутренних поверхностей за счет применения комбинированного деформирующе-режущего инструмента [1, 2] со статико-импульсным нагружением [5, 6], позволяющей управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом внутренних поверхностей отверстий, а также повышение стойкости инструмента, снижение энергоемкости оборудования и повышение его КПД.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для пластического деформирования с калиброванием и упрочнением металлических внутренних цилиндрических поверхностей деталей, содержащего гидроцилиндр, в котором расположен боек и волновод, выполненный с возможностью приложения к нему статической нагрузки и посредством бойка периодической импульсной нагрузки, гидроцилиндр статической нагрузки, гидравлический генератор импульсов для питания гидроцилиндров и инструмент с деформирующим элементом, имеющим на наружной поверхности выполненные под углом к оси инструмента заборный и обратный конусы с расположенной между ними цилиндрической ленточкой, при этом устройство снабжено по меньшей мере двумя деформирующе-режущими элементами, имеющими на наружной поверхности выполненные под углом к оси инструмента заборный конус, канавки и выступы равной ширины, причем канавки расположены под углом к оси инструмента с образованием положительного переднего угла в нормальном сечении к боковой поверхности канавки, расположенного с левой стороны переднего торца при правом расположении канавок или с правой стороны переднего торца при левом расположении канавок, при этом деформирующе-режущие элементы жестко закреплены на оправке и смещены друг относительно друга так, что выступы одного элемента являются продолжением выступов другого, причем оправка соединена с волноводом и выполнена с возможностью воздействия на нее как периодической импульсной нагрузки, так и статической, при этом деформирующий элемент предназначен для завершения обработки при прохождении инструмента через обрабатываемое отверстие, установлен на полом валу, который охватывает оправку, и выполнен с возможностью воздействия на него только статической нагрузки, при этом высота деформирующе-режущих элементов определена по формуле: l=b/tgω, где l - высота деформирующе-режущего элемента, мм; b - ширина канавки или выступа, мм; ω - угол расположения канавки относительно продольной оси инструмента, град.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема пластического деформирования с калиброванием и упрочнением отверстия с помощью предлагаемого устройства, имеющего инструмент с двумя деформирующе-режущими элементами со статико-импульсным нагружением и одним деформирующим элементом только со статическим нагружением в процессе обработки; на фиг.2 - конструкция инструмента с двумя деформирующе-режущими и одним деформирующим элементами, общий вид с частичным продольным разрезом, положение инструмента при действии только статической нагрузки; на фиг.3 - деформирующе-режущий элемент, частичный продольный разрез; на фиг.4 - поперечный разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.6 - развертка рабочих поверхностей двух деформирующе-режущих элементов; на фиг.7 - инструмент в положении действия статической и импульсной нагрузок.

Предлагаемое устройство предназначено для чистовой комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием (ППД) с калиброванием [7] и упрочнением металлических внутренних цилиндрических поверхностей 1 отверстий заготовок 2 из сталей и сплавов деформирующе-режущим инструментом 3, к которому прикладывают статико-импульсную нагрузку с помощью силовых гидроцилиндров 4 [5, 6]. Обрабатываемую заготовку устанавливают на опорной плите 5 станка 6.

Устройство содержит гидроцилиндр 7, воздействующий статической нагрузкой Р_ст на деформирующе-режущий инструмент 3, через гидроцилиндр 8, в котором расположен боек 9 и волновод 10. Гидроцилиндр 8 выполнен с возможностью приложения к инструменту посредством бойка 9 периодической импульсной нагрузки Р_им и передачи статической нагрузки Р_ст, вырабатываемой гидроцилиндром 7 статической нагрузки. В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяют гидравлический генератор импульсов (не показан) [3, 4]. Гидравлический генератор импульсов (ГГИ) питает силовые гидроцилиндры.

Деформирующе-режущий инструмент 3 содержит не менее двух деформирующе-режущих элементов 11 и деформирующий элемент 12. Наружная поверхность деформирующе-режущих элементов выполнена в виде заборного конуса с углом α к продольной оси, на которой выполнены канавки 13 с образованием выступов 14. Канавки выполнены шириной b, равной ширине образованных выступов 14 (фиг.3…6). Боковые стороны канавки выполнены под углом γ₁ к продольной оси инструмента в плоскости поперечного сечения деформирующе-режущего элемента (фиг.4), причем угол γ₁ выполнен положительным с левой стороны переднего торца каждого элемента при правом расположении канавок и, наоборот, положительным с правой стороны переднего торца элемента при левом расположении канавок. Канавки выполнены под углом ω к продольной оси инструмента.

Вся наружная поверхность от переднего до заднего торцов деформирующе-режущих элементов выполнена рабочей, при этом высота деформирующе-режущих элементов определяется по формуле:

l=b/tgω,

где l - высота деформирующе-режущего элемента, мм;

b - ширина канавки (выступа), мм;

ω - угол расположения канавки относительно продольной оси инструмента, град.

Деформирующе-режущие элементы, из которых комплектуется инструмент, жестко закреплены на оправке 15 при угловом смещении друг относительно друга так, что выступы (впадины) одного элемента являются продолжением выступов (впадин) другого (фиг.1, 2, 6, 7).

Оправка 15 соединена с волноводом 10 и подвергается воздействию периодической импульсной Р_им и статической Р_ст нагрузкам и передает эти нагрузки на деформирующе-режущие элементы инструмента. Установка и крепление оправки на волноводе осуществляются с возможностью быстрого демонтажа и съема инструмента, например, с помощью патрона для протягивания (не показан).

Деформирующий элемент 12, входящий в состав инструмента, имеет на наружной поверхности заборный конус 16, выполненный под углом α к оси инструмента, и обратный конус 17, выполненный под углом β к оси инструмента, с расположенной между ними цилиндрической ленточкой 18. Деформирующий элемент завершает обработку при прохождении инструмента через обрабатываемое отверстие и установлен на полом валу 19, который охватывает оправку 15, и подвергается воздействию только статической нагрузки Р_ст.

Начало образования выступов на обрабатываемой поверхности происходит при входе переднего торца первого деформирующе-режущего элемента в отверстие заготовки.

Инструмент работает следующим образом. Во время рабочего хода первый элемент входит в отверстие заборной частью передним торцом (фиг.1) и начинает пластически увеличивать диаметр отверстия в зоне выступов деформирующе-режущего элемента и в меньшей степени в зоне канавок, за счет чего на поверхности отверстия образуются выступы, испытывающие окружные растягивающие напряжения. Но поскольку левая боковая поверхность канавки при правом их расположении на элементе встает на пути движения образующегося на поверхности отверстия выступа, последний начинает срезаться (фиг.6). При этом резание осуществляется в зоне растяжения, что способствует снижению сил резания, так как предварительное растяжение способствует накоплению степени разрушения в срезаемом слое, а также увеличивает показатель напряженного состояния в зоне резания.

Процесс срезания стружки начинается при касании переднего торца деформирующе-режущего элемента в точке Д, то есть в зоне образования выступа на обрабатываемой поверхности, и по мере продвижения деформирующе-режущего элемента ширина стружки увеличивается. При вхождении точки В в зону обработки ширина стружки равна длине отрезка главной режущей кромки

ДГ=l/(cosα·cosω), мм;

где α - угол заборного конуса деформирующе-режущего элемента, град. При этом увеличивается и толщина срезаемого слоя «a», максимальная величина «a_MAX» которого равна максимальной высоте H_MAX образующихся выступов.

Экспериментально установлено:

H≈(0,12…0,2)·i, мм;

где i - натяг на деформирующий элемент, мм.

При дальнейшем движении инструмента материальная точка Е заготовки должна войти в зону обработки последней в точке Ж режущей кромки, пройдя путь, равный 2l. При этом материальная точка Е испытает максимальную степень деформации, так как она пройдет максимальный отрезок ЕИ по заборному конусу элемента, то есть в этих точках высота образованного выступа будет равна нулю. Таким образом, в точке Ж режущей кромки процесс резания происходить не будет, поэтому ширина стружки, продолжая увеличиваться, достигнет величины ДЖ, а толщина стружки будет уменьшаться до нуля. То есть при перемещении деформирующе-режущего элемента на величину 2l процесс стабилизируется, ширина стружки будет равна 2l до выхода элемента из отверстия. При выходе из отверстия ширина стружки будет изменяться в обратном порядке, уменьшаясь до нуля. Соответственно, сила резания и деформирования при входе элемента в зону резания и выходе из нее будет изменяться не скачкообразно, а постепенно, что значительно снижает вибрации и, как следствие, волнистость обработанной поверхности. Выполнение канавок под углом ω к вектору главного движения значительно снижает силы резания, так как увеличивается кинематический передний угол γ_K=arctg(tgγ/sinω), а процесс резания становится косоугольным.

Форма срезанного слоя представляет собой практически равнобедренный треугольник ДЕК, причем максимальная толщина ВК=а_MAX находится в средней части срезаемого слоя.

При угловом смещении предыдущего элемента относительно следующего так, что выступы и впадины одного элемента являются продолжением выступов и впадин другого, достигается равномерное удаление припуска по окружности отверстия. Завершает обработку деформирующий элемент 12, окончательно калибрующий поверхностным пластическим деформированием обрабатываемое отверстие.

Таким образом, инструмент эффективно увеличивает отверстие за счет пластической деформации отверстия участками заборного конуса и срезание механически упрочненного поверхностного слоя, а также обеспечивает пластическую деформацию отверстия, что приводит к уменьшению длины инструмента и повышению качества обработанной поверхности.

На деформирующе-режущие элементы инструмента воздействует шток гидроцилиндра, который является волноводом 10, к которому дополнительно прикладывают периодическую импульсную Р_им нагрузку посредством бойка 9, расположенного в гидроцилиндре 8, питаемого гидравлическим генератором импульсов (ГГИ) (не показан) [3, 4].

Предлагаемое устройство служит для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием внутренних поверхностей отверстий. Эту операцию выполняют перемещением с натягом инструмента через обрабатываемое отверстие заготовки, при этом к деформирующе-режущим элементам инструмента прикладывают импульсную периодическую нагрузку, а к деформирующему элементу - статическую нагрузку вдоль оси инструмента и обрабатываемого отверстия.

Заготовку 2 устанавливают в опорной плите 5 станка (например, вертикально-протяжного станка мод. 7Б65) и заходной направляющей частью вводят инструмент в предварительно обработанное отверстие заготовки.

Обработку начинают с включения продольной подачи S_пр, которая осуществляется благодаря постоянному действию на инструмент штока гидроцилиндра 7, который через гидроцилиндр 8 и полый вал 19 оказывает статическое воздействие Р_ст на инструмент и дополнительное периодическое импульсное воздействие Р_им волновода 10 на оправку 15 с деформирующе-режущими элементами, причем на волновод, в свою очередь, действует боек 9.

Волновод 10 установлен в корпусе 8 с возможностью продольного осевого перемещения и содержит лыску с размещенным в ней и в выточке корпуса штифтом 20, препятствующим провороту волновода относительно продольной оси и ограничивающим ход волновода.

Исходный импульс, сформированный в бойке в момент удара по волноводу, отражаясь от свободного торца бойка с противоположным знаком, доходит до волновода, одна его часть вновь отражается в боек, а другая переходит в волновод и распространяется в направлении нагружаемой поверхности. Дойдя до нагружаемой поверхности, последняя часть импульса распределяется на проходящий и отраженный. Проходящие волны деформации при равенстве длин бойка и волновода не накладываются и не разрываются, а следуют друг за другом, кроме того, при равенстве площадей контакта поперечных сечений бойка и волновода энергия удара наиболее полно реализуется в контакте с нагружаемой средой.

Под действием импульсной нагрузки Р_им оправка 15 с деформирующе-режущими элементами быстро, со скоростью, на порядок превышающей скорость традиционного пластического деформирования, уходит вниз (согасно фиг.7) на расстояние h, зависящее от величины натяга, силы удара, его длительности и других факторов. При этом повышается производительность обработки, величина натяга и стойкость режущего инструмента, так как твердый сплав, из которого изготовлены деформирующе-режущие элементы, требует больших скоростей (100…150 м/мин), снижается параметр шероховатости обработанной поверхности, повышается глубина упрочненного слоя и др.

Деформирующий элемент под действием статической нагрузки P_ст с постоянной скоростью, равной скорости традиционного пластического деформирования, вслед за деформирующе-режущими элементами проходит расстояние h и пластически деформирует оставленные микронеровности и калибрует обработанное отверстие [6]. Далее цикл повторяется.

Глубина упрочненного слоя предлагаемым устройством достигает 1,5…2,5 мм, что значительно (в 3…4 раза) больше, чем при традиционном пластическом деформировании. Наибольшая степень упрочнения составляет 15…30%. В результате статико-импульсной обработки по сравнению, например, с традиционным пластическим деформированием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 1,8…2,7 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7…2,2 раза.

Пример. Обрабатывали предлагаемым устройством отверстие диаметром 30 мм; заготовки из материала - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса - 5,8 кг. Обработку производили инструментом с двумя деформирующе-режущими элементами диаметром 30 мм, высотой 15 мм каждый, из стали твердого сплава ВК8, имеющими угол α=4,5°; ω=35°; γ=5°, ширину канавки и выступа b=10,5 мм, и одним деформирующим элементом диаметром 30 мм, высотой 15 мм, из стали твердого сплава ВК8, имеющим длину заборного конуса 9 мм, обратного конуса 4,5 мм, ширину ленточки 1,5 мм, углы: α=4,5°, β=7,5°. Обработку вели на модернизированном вертикально-протяжном станке мод. 7Б65 с использованием специального ГГИ - гидравлического генератора импульсов. Модернизация касалась перевода станка из «тянущего» режима в «толкающий», установки на станке, на толкающем штоке волновода, бойка и корпуса гидроцилиндра, осуществляющих дополнительное периодическое импульсное нагружение инструмента. Смазочно-охлаждающая жидкость - сульфофрезол. Скорость статического пластического деформирования S_пр=4 м/мин, скорость импульсного пластического деформирования - 32…40 м/мин. Наибольшее значение энергии ударов, развиваемой ГГИ, А=280 Дж (сила удара 260 кН, скорость удара 7,2 м/с), при частоте ударов f=5…15 Гц. Натяг инструмента составлял i=0,1…0,25 мм на диаметр. Статическое нагружение осуществлялось силой до P_ст=40 кН.

Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных поверхностей отверстий уменьшился до значения Ra=0,5…0,065 мкм при исходном Ra=5…6,5 мкм, производительность повысилась более чем в три раза по сравнению с традиционным протягиванием и предварительным растачиванием, используемом на базовом предприятии в ОАО "Ливгидромаш". Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза. Глубина упрочненного слоя достигла 1,6…2,1 мм. Наибольшая степень упрочнения составляла 18…25%. В результате статико-импульсной обработки эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возросла в 1,9…2,3 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,8…2,1 раза.

Предлагаемое устройство позволяет повысить производительность и качество обработанной поверхности, вести обработку с большим натягом, значительной глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения, повысить КПД и снизить энергоемкость оборудования, уменьшить длину инструмента и сократить расходы на инструмент.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием за счет применения статико-импульсного нагружения деформирующе-режущего инструмента, а также за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом обрабатываемых внутренних поверхностей.

Источники информации

1. Патент РФ №2336987. МПК В24В 39/02. Устройство для статико-импульсного дорнования сборным инструментом. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Афонин А.Н., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Поляков А.В. Заявка №2007102539/02. 23.01.2007; 27.10.2008 - прототип.

2. Патент РФ №2237552. МПК В23D 43/02. Деформирующее-режущая протяжка. С.К.Амбросимов, О.Н.Крюков. Заявка №2003109772/02. 07.04.2003; 10.10.2004.

3. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.

4. Патент РФ №2090342. МПК⁶ В24В 39/04. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей ППД. 95122309/02. 21.12.95. 20.09.97. Бюл. №26.

5. Патент РФ №2312757. МПК В24В 39/02. Устройство для статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Селеменев К.Ф. Заявка №2006116871/02. 16.05.2006; 20.12.2007.

6. Патент РФ №2312754. МПК В24В 39/02. Способ статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Селеменев К.Ф. Заявка №2006115432/02. 04.05.2006; 20.12.2007.

7. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 2 / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.397…410.

Устройство содержит гидроцилиндр, в котором расположен боек и волновод, выполненный с возможностью приложения к нему статической нагрузки и посредством бойка периодической импульсной нагрузки, гидроцилиндр статической нагрузки, гидравлический генератор импульсов для питания гидроцилиндров и инструмент с деформирующим элементом, имеющим на наружной поверхности выполненные под углом к оси инструмента заборный и обратный конусы с расположенной между ними цилиндрической ленточкой. Для расширения технологических возможностей за счет применения комбинированного инструмента оно снабжено по меньшей мере двумя деформирующе-режущими элементами, имеющими на наружной поверхности выполненные под углом к оси инструмента заборный конус, канавки и выступы равной ширины, причем канавки расположены под углом к оси инструмента с образованием положительного переднего угла в нормальном сечении к боковой поверхности канавки. При этом деформирующе-режущие элементы жестко закреплены на оправке и смещены друг относительно друга. Оправка соединена с волноводом и выполнена с возможностью воздействия на нее как периодической импульсной нагрузки, так и статической. При этом деформирующий элемент установлен на полом валу, который охватывает оправку, и выполнен с возможностью воздействия на него только статической нагрузки. 7 ил.

Устройство пластического деформирования с калиброванием и упрочнением металлических внутренних цилиндрических поверхностей деталей, содержащее гидроцилиндр, в котором расположен боек и волновод, выполненный с возможностью приложения к нему статической нагрузки, и посредством бойка периодической импульсной нагрузки, гидроцилиндр статической нагрузки, гидравлический генератор импульсов для питания гидроцилиндров и инструмент с деформирующим элементом, имеющим на наружной поверхности выполненные под углом к оси инструмента заборный и обратный конусы с расположенной между ними цилиндрической ленточкой, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере двумя деформирующе-режущими элементами, имеющими на наружной поверхности выполненные под углом к оси инструмента заборный конус, канавки и выступы равной ширины, причем канавки расположены под углом к оси инструмента с образованием положительного переднего угла в нормальном сечении к боковой поверхности канавки, расположенного с левой стороны переднего торца при правом расположении канавок или с правой стороны переднего торца при левом расположении канавок, при этом деформирующе-режущие элементы жестко закреплены на оправке и смещены относительно друг друга так, что выступы одного элемента являются продолжением выступов другого, причем оправка соединена с волноводом и выполнена с возможностью воздействия на нее как периодической импульсной нагрузки, так и статической, при этом деформирующий элемент предназначен для завершения обработки при прохождении инструмента через обрабатываемое отверстие, установлен на полом валу, который охватывает оправку, и выполнен с возможностью воздействия на него только статической нагрузки, при этом высота деформирующе-режущих элементов определена по формуле: L=b/tgω, где L - высота деформирующе-режущего элемента, мм; b - ширина канавки или выступа, мм; ω - угол расположения канавки относительно продольной оси инструмента, град.