устройство для статико-импульсного раскатывания внутренних канавок

Формула изобретения

Устройство для статико-импульсного раскатывания внутренних канавок, содержащее оправку с центральным продольным отверстием, в котором расположены волновод и боек в виде стержней, при этом боек установлен с возможностью воздействия на волновод для передачи периодической импульсной нагрузки, отличающееся тем, что оно снабжено деформирующими инструментами, ширина и высота которых равна соответственно ширине и глубине раскатываемой канавки, закрепленными на радиально расположенных плунжерах, на свободных торцах которых установлены подшипники качения в виде завальцованных шариков, винтовой цилиндрической пружиной сжатия, установленной на свободном торце волновода, поверхность которого выполнена конической и расположена в контакте с упомянутыми подшипниками качения, плоской пружиной в форме волнового кольца для приложения статической нагрузки деформирующими инструментами нормально к обрабатываемой поверхности и кольцом управления с рукояткой и расположенными на его торце с возможностью контакта с пружинным волновым кольцом пальцами, установленным с возможностью поворота с помощью рукоятки для вывода деформирующих инструментов из обработанной канавки при воздействии упомянутых пальцев на волны пружинного волнового кольца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки канавок во внутренних поверхностях деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагружением инструмента.

Известен способ и устройство для чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием [1], при котором сообщают движения подачи и скорости обработки инструменту и заготовке, контактирующим под приложенной к инструменту нормально к обрабатываемой поверхности постоянной статической нагрузкой в диапазоне усилий, обеспечивающих достижение заданной шероховатости, и периодической импульсной нагрузкой, изменяющейся в установленном диапазоне от минимального до максимального значения. При этом частоту пульсации нагрузки выбирают в зависимости от требуемой глубины наклепа.

Способ и устройство, реализующее его, отличается ограниченными возможностями, низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен способ и устройство для статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, осуществляемой инструментом, к которому нормально к обрабатываемой поверхности прикладывают постоянную статическую нагрузку и перпендикулярную импульсную нагрузку, которая сообщается посредством бойка и волновода, а форму, амплитуду, эффективную длительность и частоту единичных импульсов силы деформирования определяют по приведенным формулам [2].

Известный способ и устройство отличаются ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом внутренних поверхностей канавок путем использования устройства и инструмента специальной формы.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного раскатывания внутренних канавок, содержащее оправку с центральным продольным отверстием, в котором расположены волновод и боек в виде стержней, при этом боек установлен с возможностью воздействия на волновод для передачи периодической импульсной нагрузки, причем оно снабжено деформирующими инструментами, ширина и высота которых равна соответственно ширине и глубине раскатываемой канавки, закрепленными на радиально расположенных плунжерах, на свободных торцах которых установлены подшипники качения в виде завальцованных шариков, винтовой цилиндрической пружиной сжатия, установленной на свободном торце волновода, поверхность которого выполнена конической и расположена в контакте с упомянутыми подшипниками качения, плоской пружиной в форме волнового кольца для приложения статической нагрузки деформирующими инструментами нормально к обрабатываемой поверхности, и кольцом управления с рукояткой и расположенными на его торце с возможностью контакта с пружинным волновым кольцом пальцами, установленным с возможностью поворота с помощью рукоятки для вывода деформирующих инструментов из обработанной канавки при воздействии упомянутых пальцев на волны пружинного волнового кольца.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки внутренних канавок предлагаемым устройством для статико-импульсного раскатывания, продольный разрез; на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1, инструменты находятся в канавках в рабочем положении; на фиг.3 - общий вид устройства и схема действия сил; на фиг.4 - поперечное сечение А-А на фиг.1, инструменты выведены из обработанных канавок и рукоятка управления в положении «холостой ход»; на фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.6 - элемент В на фиг.3, случай, когда высота инструмента больше глубины канавки, которая предварительно не прорезана; на фиг.7 - элемент В на фиг.3, случай, когда высота инструмента равна глубине канавки, которая предварительно прорезана; на фиг.8 - поперечное сечение Г-Г на фиг.6, случай, когда высота инструмента больше глубины канавки, которая предварительно не прорезана; на фиг.9 - поперечное сечение Г-Г на фиг.6, случай, когда высота инструмента равна глубине канавки, которая предварительно прорезана.

Предлагаемое устройство служит для обработки поверхностным пластическим деформированием канавки, расположенной на внутренней поверхности с использованием постоянной статической и периодической импульсной нагрузки на инструмент.

Заготовка 1 получает вращение V_з , а устройство для раскатывания в виде оправки 2 вводят в отверстие обрабатываемой заготовки на расстояние l от торца, равном расстоянию расположения внутренней канавки.

Оправки 2 содержат деформирующие инструменты 3, боек 4 и волновод 5, выполненные в виде стержней. Деформирующие инструменты 3, ширина b_u и высота h _u которых равна соответственно ширине b_k и глубине h_k раскатываемой канавки, закреплены на радиально расположенных плунжерах 6, на свободные торцы которых установлены подшипники качения 7, например в виде завальцованных шариков, и которыми плунжеры 6 контактируют с конической поверхностью волновода 5. В центральном продольном отверстии оправки 2 расположены боек 4 и волновод 5, на свободном торце которого смонтирована винтовая цилиндрическая пружина сжатия 8.

На оправке 2 установлена обечайка, изготовленная из плоской пружины в виде кольца 9, через ее отверстия 10 проходят плунжеры 6, контактирующие с кольцом 9 пазами 11. Внутренний диаметр кольца 9 несколько больше диаметра оправки 2. Рядом с пружинным кольцом 9 на оправке 2 (фиг.1) установлено кольцо управления 12, имеющее рычаг управления, например в виде рукоятки 13, и пальцы 14, расположенные на торце со стороны пружинного кольца. Количество пальцев 14 равно количеству плунжеров 6 с инструментами 3. Пальцы 14 взаимодействуют с пружинным кольцом 9 таким образом, что, находясь над пружинным кольцом, в местах контакта они прижимают ее к оправке (фиг.2), при этом в местах между пальцами радиальный зазор между оправкой и пружинным кольцом увеличивается, образуя «волну» (фиг.4).

С помощью пружинного волнового кольца 9 нормально к обрабатываемой поверхности инструменты 3 воздействуют на нее статически с усилием Р _ст, а с помощью бойка 4 воздействуют периодически импульсно с усилием Р_им.

Вывод инструментов 3 из обработанной канавки осуществляется поворотом относительно продольной оси кольца управления 12 вручную с помощью рукоятки 13. Согласно фиг.1-4 рукоятку 13 достаточно повернуть на 45°, при этом пальцы 14 через пружинное кольцо радиально переместят к центру плунжеры 6 (фиг.4).

Конструкция и форма деформирующих инструментов 3 подбирается экспериментально и индивидуально в каждом конкретном случае, они могут быть выполнены сборными и сменными на плунжерах 6, а также цельными инструмент-плунжер, в количестве, принимаемом по конструктивным соображениям.

В качестве механизма импульсного нагружения инструментов применяется гидравлический генератор импульсов [3, 4]. Заготовке сообщают вращательное движение, а предлагаемое устройство с рукояткой в положении «холостой ход» (фиг.4) - вводят в отверстие на глубину l, переводят рукоятку в положение «рабочее» (фиг.2) и включают гидравлический генератор импульсов.

Периодическую импульсную Р_им нагрузку прикладывают в направлении продольной оси и благодаря клиноплунжерному механизму, состоящему из плунжеров 6 и конического волновода 5, направляют ее по нормали к обрабатываемой поверхности канавки.

Периодическую импульсную нагрузку Р_им осуществляют с помощью бойка 4, воздействующего на торец волновода 5, который своим конусом радиально разводит плунжеры с инструментом. С целью отвода волновода после удара в первоначальное положение (согласно фиг.1, вправо) на свободный торец волновода воздействует винтовая цилиндрическая пружина сжатия 8 (ГОСТ 13766-68).

В результате удара бойка 4 по торцу волновода 5 в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать на плунжеры 6, на инструменты 3 и на обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов. Дойдя до обрабатываемой поверхности, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы деформации.

При глубине канавки h _k>1 мм желательно проводить предварительное прорезание канавки. Если предварительное прорезание канавки не проводится, то при раскатывании вытесненный из канавки металл волнами расположится рядом (фиг.6-7) и его необходимо удалять, для чего потребуется дополнительная обработка, например расточка отверстия.

Если раскатывание внутренней канавки проводится после предварительной прорезки, то деформирующие инструменты 3 берутся шириной b _u и высотой h_u, равной соответственно ширине l_k и глубине h_к раскатываемой канавки.

В результате статико-импульсной обработки предлагаемым устройством по сравнению с традиционным, например, растачиванием происходит упрочнение ослабленного канавкой близлежащего слоя.

Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым устройством, достигает 1,5...2,5 мм, что значительно (в 2...2,5 раза) увеличивает долговечность эксплуатации ответственных деталей. Наибольшая степень упрочнения составляет 15...30%.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки канавки гильзы с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частоты ударов, размеры и радиусы скруглений инструмента) 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.

Величина силы статического поджатия инструмента к обрабатываемой поверхности составляла Р_ст >25...40 кН; Р_им=255...400 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость «сырых» образцов - HV 270...280. Глубина упрочненного статико-импульсной обработкой слоя составила 1,9...2,2 мм, что значительно (в 2 раза) увеличивает долговечность эксплуатации детали по сравнению с традиционным растачиванием.

Упрочненный слой при традиционном растачивании не формируется, кроме того, продольное сечение в месте канавки ослабляется, она является концентратором напряжений, что приводит в условиях длительного действия больших нагрузок при эксплуатации к аварийным ситуациям.

Предлагаемым устройством в результате кратковременного воздействия на очаг деформации пролонгированного импульса энергии достигается упрочнение поверхностного слоя на большую глубину.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя статико-импульсной 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.

Микровибрации в процессе, реализуемом предлагаемым устройством, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности.

Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Источники информации

1. А.с. СССР, 456 719, МКИ В 24 В 39/00. Способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием. 1974.

2. Патент РФ 2098259, МКИ ⁶ В 24 В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. №96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. №34.

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. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. №34.