способ центробежной обработки ппд с пневматическим буфером
Классы МПК: | B24B39/00 Станки или устройства, в том числе вспомогательные, для обкатки с целью уплотнения поверхностного слоя |
Автор(ы): | Степанов Юрий Сергеевич (RU), Киричек Андрей Викторович (RU), Сафронов Владислав Васильевич (RU), Самойлов Николай Николаевич (RU), Афанасьев Борис Иванович (RU), Иножарский Владимир Владимирович (RU), Вицен Михаил Евгеньевич (RU), Жуков Сергей Александрович (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-06-22 публикация патента:
10.02.2011 |
Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием, и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки. Сообщают заготовке вращательное движение вокруг ее оси. Сообщают деформирующему устройству продольное перемещение и вращательное движение вокруг его оси. Используют деформирующее устройство, содержащее вращающийся корпус в виде диска, сепаратор в виде кольца с отверстиями, установленный на периферии диска, и неподвижную при вращении корпуса пневматическую камеру. Диск выполнен с радиальными глухими гнездами, в которых расположены деформирующие шарики. Пневматическая камера закреплена с помощью подшипника на торце корпуса. В днище радиальных гнезд выполнены отверстия для соединения их с пневматической камерой. В стенке пневматической камеры, прилегающей к торцу корпуса, выполнен паз в виде сектора, открывающий доступ сжатого воздуха в несколько радиальных гнезд с деформирующими шариками, расположенными в зоне обработки и около нее. В результате расширяются технологические возможности, повышается стойкость инструмента и производительность обработки, обеспечивается высокая точность обработки и снижается величина шероховатости обработанной поверхности. 6 ил., 1 табл.
Формула изобретения
Способ центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием, включающий сообщение заготовке вращательного движения вокруг ее оси и деформирующему устройству в виде многоэлементного обкатного инструмента продольного перемещения и вращательного движения вокруг его оси, отличающийся тем, что используют деформирующее устройство, содержащее вращающийся корпус в виде диска с расположенным на его торце фланцем и радиальными глухими гнездами, в которых расположены деформирующие шарики, сепаратор в виде кольца с отверстиями, установленный на периферии диска для ограничения радиального перемещения деформирующих шариков, и неподвижную при вращении корпуса пневматическую камеру со штуцером для подачи в нее воздуха, закрепленную с помощью подшипника на торце корпуса во фланце, в днище радиальных гнезд выполнены отверстия для соединения их с пневматической камерой, в стенке которой, прилегающей к торцу корпуса, выполнен паз в виде сектора, открывающий доступ сжатого воздуха в несколько радиальных гнезд с деформирующими шариками, расположенными в зоне обработки и около нее.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием (ППД) и изготовлению оснастки, и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки.
Известен способ чистовой обработки поверхностей деформирующими шариками и устройство для его реализации, выполненное в виде корпуса и закрепленного на цапфах с возможностью вращения в корпусе барабана с гнездами под шарики, выполненные в виде трубки с завальцованными торцами, при этом привод вращения подсоединяется к одной из цапф, а корпус устройства располагается на шариковых опорах для перемещения [1].
Недостатками известного способа и устройства являются: быстрый износ шариков, их выкрашивание, выход из строя гнезд под шарики, особенно завальцованных торцов трубок, которые ограничивают перемещение шариков - все это снижает стойкость инструмента, резко снижает производительность, точность и качество процесса обработки.
Известен способ центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием, реализуемый инструментом с деформирующими элементами (шариками или роликами), размещенными в радиальных пазах дисков [2]. При работе элементы могут смещаться в радиальном направлении, создается натяг и за счет высокой скорости вращения диска с элементами последние наносят по поверхности заготовки многочисленные удары, пластически деформируя поверхность, и мгновенно отскакивают от нее, для удлинения срока службы инструмента под шарики устанавливают отражатели плавающие или неподвижные.
Недостатками известного способа и инструмента являются: быстрый износ шариков, их выкрашивание, выход из строя гнезд под шарики и отражателей, которые ограничивают перемещение шариков, а также сепараторов - все это снижает стойкость инструмента, резко снижает производительность, точность и качество процесса обработки.
Задача изобретения - расширение технологических возможностей центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием, снижение износа деформирующих элементов - шариков, гнезд для деформирующих элементов, сепараторов, а также повышение стойкости инструмента в целом, повышение производительности, точности и качества процесса обработки.
Это достигается предлагаемым способом центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием, включающим сообщение заготовке вращательного движения вокруг ее оси и деформирующему устройству в виде многоэлементного обкатного инструмента продольного перемещения и вращательного движения вокруг его оси, при этом используют деформирующее устройство, содержащее вращающийся корпус в виде диска с расположенным на его торце фланцем и радиальными глухими гнездами, в которых расположены деформирующие шарики, сепаратор в виде кольца с отверстиями, установленный на периферии диска для ограничения радиального перемещения деформирующих шариков, и неподвижную при вращении корпуса пневматическую камеру со штуцером для подачи в нее воздуха, закрепленную с помощью подшипника на торце корпуса во фланце, в днище радиальных гнезд выполнены отверстия для соединения их с пневматической камерой, в стенке которой, прилегающей к торцу корпуса, выполнен паз в виде сектора, открывающий доступ сжатого воздуха в несколько радиальных гнезд с деформирующими шариками, находящимися в зоне обработки и около нее.
Особенности предлагаемого способа центробежной обработки ППД с пневматическим буфером и конструкции устройства, реализующего способ, поясняются чертежами.
На фиг.1 показана конструкция устройства для центробежной обработки ППД с пневматическим буфером, продольный разрез; на фиг.2 - поперечный разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - поперечный разрез по Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - вид с торца по В на фиг.1; на фиг.5 - общий вид сбоку; на фиг.6 - схема процесса центробежной обработки ППД шариками заготовки лопасти винта вертолета из титанового сплава.
Предлагаемый способ и устройство предназначены для центробежной обработки ППД ответственных, тяжело нагруженных металлических деталей с высокими параметрами шероховатости и твердости поверхности.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из корпуса 1 в виде диска с радиальными глухими гнездами 2 под деформирующие элементы - шарики 3. Корпус 1 имеет центральное отверстие для крепления его на оправке или шпинделе, например, шлифовального, токарного, фрезерного станков или специальной головке с индивидуальным электроприводом.
По периферии корпуса 1 установлено кольцо-сепаратор 4 с отверстиями, ограничивающими радиальное перемещение деформирующих элементов - шариков 3. Размеры отверстий в кольце-сепараторе 4 влияют на величину вылета деформирующих элементов над поверхностью кольца-сепаратора, т.е. на величину натяга h (см. фиг.6). Под деформирующими элементами - шариками 3 в днище радиальных гнезд 2 выполнены отверстия 5 и 6, соединяющие гнезда 2 с пневматической камерой 7.
В пневматическую камеру 7 извне через штуцер 8 подается сжатый воздух под давлением Р. Пневматическая камера 7 плавающе с помощью подшипника 9, установленного во фланце 10 и закрепленного крышкой 11, смонтирована на торце корпуса 1. Конструкция крепления камеры 7 позволяет ей оставаться неподвижной на вращающемся корпусе 1. Утечки сжатого воздуха из камеры предотвращают уплотнители. В стенке, прилегающей к торцу корпуса, камеры 7 выполнен паз 12 в виде сектора. Паз 12 открывает доступ сжатого воздуха Р в несколько радиальных гнезд 2P с деформирующими элементами - шариками 3, находящимися в зоне обработки заготовки 13 и около нее, а в остальные гнезда доступ сжатого воздуха закрыт. На фиг.2 паз 12 открывает доступ сжатого воздуха Р в три радиальные гнезда 2Р с деформирующими элементами - шариками 3, на которые воздействует сжатый воздух давлением Р. Таким образом, создается пневматический буфер, позволяющий избежать удары деформирующих элементов о днище радиальных гнезд при их отскоке, и повысить стойкость деформирующих элементов.
При работе элементы смещаются в радиальном направлении под действием центробежной силы и дополнительной силы Р. За счет величины h при обработке создается натяг. Корпус с элементами вращается с высокой скоростью. Элементы при этом наносят по поверхности детали многочисленные удары, пластически деформируя поверхность, и мгновенно не отскакивают от нее, а прижимаются силой Р к обработанной поверхности, предотвращая удары элементов о днище гнезд.
В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,1 0,32 мкм при исходном значении Ra=0,8 3,2 мкм. Твердость поверхности увеличивается на 30 80% при глубине наклепанного слоя 0,5 3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 400 800 МПа.
Предварительная обработка детали: шлифование до значения параметра шероховатости Ra=0,4 1,6 мкм, а также чистовое точение или растачивание поверхностей с шероховатостью Ra=3,2 мкм.
Центробежно-ударную обработку с пневматическим буфером применяют при изготовлении деталей из цветных металлов и сплавов, титана и нержавеющей стали, а также чугуна твердостью до HRC 58 64. Помимо наружных и внутренних поверхностей вращения этим устройством обрабатывают плоскости, а с применением копира - фасонные поверхности. Можно также обрабатывать прерывистые поверхности и места сопряжении поверхностей.
Условия центробежно-ударной обработки с пневматическим буфером следующие. Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности зависят от силы удара, величины давления Р пневматического буфера и числа ударов, приходящихся на 1 мм2 поверхности. Эти параметры, в свою очередь, зависят от окружной скорости диска, натяга h, размера элементов, их числа в корпусе, частоты вращения, величины подачи на один оборот заготовки и числа проходов.
Длина l гнезда, где расположен деформирующий элемент, обеспечивает полное погашение скорости отскока деформирующего элемента. Величина Р давления сжатого воздуха в гнезде обеспечивает погашение скорости отскока, чем больше Р, тем эффективнее погашение скорости отскока деформирующего элемента. Давление Р также влияет на величину деформации обрабатываемой поверхности.
Режимы центробежно-ударной обработки поверхностей шариками диаметром 7 10 мм с пневматическим буфером приведены в таблице.
Процесс наклепывания шариками с пневматическим буфером малоизучен. В конкретных случаях необходима экспериментальная отработка режимов.
При неправильно выбранном режиме может возникнуть перенаклеп поверхности и в поверхностном слое могут возникнуть растягивающие остаточные напряжения.
Для получения хороших результатов необходимо соблюдать следующие условия обработки. Необходимо обеспечивать постоянную величину натяга h. Допускаемое радиальное биение шариков (в прижатом к сепаратору состоянии), отклонения формы и радиальное биение заготовки не должны превышать 0,03 0,05 мм.
Обработка с большими натягами приводит к увеличению шероховатости поверхности, но при этом несколько увеличивается эффект упрочнения. Для получения поверхности детали высокого качества перед обработкой заготовки очищают от следов коррозии и обезжиривают. Обработку ведут с использованием СОТС. Элементы смазывают смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность детали - керосином.
Оставлять припуск под обработку не следует, так как изменение размера весьма незначительно (1 5 мкм). После обработки этим устройством точность деталей соответствует 7 9-му квалитетам.
При промышленных испытаниях обрабатывали заготовку, поз.13 (см. фиг.6), предлагаемым способом с помощью устройства, установленного в специальном электромеханическом приспособлении. Заготовка представляла собой прокат - трубу, прошедшую формирование профиля лопасти вертолетного винта, изготовленную из титанового сплава.
Исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,63 мкм; деформирующие элементы - шарики диаметром 10 мм из стали ШХ15, твердостью HRC 63 65 расположены в корпусе диаметром 2R=200 мм.
Импульсно-ударное ППД с пневматическим буфером вели на следующих режимах: окружная скорость корпуса - VИ=1500 мин -1; скорость вращения заготовки лопасти - VЗ =5 мин-1, поперечная подача инструмента Sпоп =50 мм/мин, число проходов (т.е. число оборотов заготовки) - 3, натяг - h=0,2 мм; продольную Sпр подачу осуществляли вручную при настройке; значение усилия обкатывания устанавливали порядка 170 175 Н; высота и ширина профиля заготовки изменились после обкатывания на 0,02 мм (0,01 мм на сторону); глубина наклепанного слоя находилась в пределах 0,15 0,20 мм; повышение твердости на 25 30%; при обкатывании деформирующие элементы смазывали смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность детали - керосином; стойкость инструмента повысилась на 45 55%. Контроль проводился индикаторной скобой с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68 и на профилометре мод. 283 тип АII ГОСТ 19300-86. В обработанной партии (равной 10 шт.) бракованных деталей не обнаружено. Отклонение формы обкатанной поверхности от требуемой составило не более 0,02 мм, что допустимо ТУ.
Предлагаемый способ с использованием разработанного устройства для центробежной обработки ППД с пневматическим буфером позволил расширить технологические возможности центробежной обработки ППД, снизить износ деформирующих элементов - шариков, гнезд для деформирующих элементов, сепараторов, повысить стойкость инструмента, производительность обработки, обеспечить высокую точность, снизить величину шероховатости обработанной поверхности и уменьшить себестоимость обработки.
Источники информации
1. А.с. СССР 667391, МКИ В24В 39/04. Устройство для обработки металлических поверхностей шариками. Жебелев Ю.К. и Рубин И.Л. Заявка № 2564489/25-08, заявл. 06.01.78, опуб. 15.06.79. Бюл. № 22.
2. 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.412-414.
Класс B24B39/00 Станки или устройства, в том числе вспомогательные, для обкатки с целью уплотнения поверхностного слоя