устройство для 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 обработке импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки. Устройство содержит корпус в виде диска с радиальными глухими гнездами, в которых расположены деформирующие шарики, сепаратор в виде кольца с отверстиями, установленный на периферии диска и пневматическую камеру. Корпус выполнен с возможностью вращения, и на его торце расположен фланец. Пневматическая камера закреплена на торце корпуса во фланце с помощью подшипника из условия обеспечения ее неподвижности при вращении корпуса. В днище радиальных гнезд диска выполнены отверстия для соединения их с пневматической камерой. В стенке пневматической камеры, прилегающей к торцу корпуса, выполнен паз в виде сектора для обеспечения открытия доступа сжатого воздуха из пневматической камеры в несколько радиальных гнезд с деформирующими шариками, расположенными в зоне обработки и близко около нее. В результате расширяются технологические возможности, повышается стойкость инструмента, производительность обработки, обеспечивается высокая точность обработки и снижается шероховатость обработанной поверхности. 6 ил., 1 табл.
Формула изобретения
Устройство для центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием, содержащее корпус в виде диска с радиальными глухими гнездами, в которых расположены деформирующие шарики и сепаратор в виде кольца с отверстиями, установленный на периферии диска для ограничения радиального перемещения деформирующих шариков, отличающееся тем, что оно снабжено пневматической камерой со штуцером для подачи в нее воздуха, корпус выполнен с возможностью вращения и на его торце расположен фланец, пневматическая камера закреплена на торце корпуса во фланце с помощью подшипника из условия обеспечения ее неподвижности при вращении корпуса, в днище радиальных гнезд диска выполнены отверстия для соединения их с пневматической камерой, в стенке пневматической камеры, прилегающей к торцу корпуса, выполнен паз в виде сектора для обеспечения открытия доступа сжатого воздуха из пневматической камеры в несколько радиальных гнезд с деформирующими шариками, расположенными в зоне обработки и близко около нее.
Описание изобретения к патенту
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.
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 с помощью предлагаемого устройства для центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД), содержащего корпус в виде диска с радиальными глухими гнездами, в которых расположены деформирующие шарики и сепаратор в виде кольца с отверстиями, установленный на периферии диска для ограничения радиального перемещения деформирующих шариков, при этом оно снабжено пневматической камерой со штуцером для подачи в нее воздуха, корпус выполнен с возможностью вращения и на его торце расположен фланец, пневматическая камера закреплена на торце корпуса во фланце с помощью подшипника из условия обеспечения ее неподвижности при вращении корпуса, в днище радиальных гнезд диска выполнены отверстия для соединения их с пневматической камерой, в стенке пневматической камеры, прилегающей к торцу корпуса, выполнен паз в виде сектора для обеспечения открытия доступа сжатого воздуха из пневматической камеры в несколько радиальных гнезд с деформирующими шариками, находящимися в зоне обработки и близко около нее.
Особенности конструкции и работы устройства для центробежной обработки ППД с пневматическим буфером поясняются чертежами.
На фиг.1 показана конструкция предлагаемого 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.
Предлагаемое устройство предназначено для центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) ответственных, тяжело нагруженных металлических деталей с высоким параметрами шероховатости и твердости поверхности.
Устройство 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 или фрезерного станка.
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. 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 2Р 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, в которых деформирующие элементы-шарики 3 находятся под давлением. 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 диске, 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 мало изучен. 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 устройства, установленного в специальном электромеханическом приспособлении, обрабатывали заготовку, поз.13 (см. фиг.6), прокат из трубы, 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 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 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 АН, 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.
Использование предлагаемого устройства для центробежной обработки ППД с пневматическим буфером позволило 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. Авт.св. 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