вибрационное устройство для поверхностного пластического деформирования

Формула изобретения

Устройство для поверхностного пластического деформирования, содержащее боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент, установленный с возможностью приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки с помощью бойка и волновода, отличающееся тем, что деформирующий инструмент установлен с зазором на свободном конце волновода с помощью расположенных под острым углом к продольной оси последнего плоских пружин, обеспечивающих смещение в направлении осевой подачи деформирующего инструмента при действии периодической импульсной нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагружением вибрирующего 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 низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен способ и устройство для статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, осуществляемым 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 статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования инструмента с осциллирующим движением.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для поверхностного пластического деформирования, содержащего боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент, установленный с возможностью приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки с помощью бойка и волновода, причем деформирующий инструмент установлен с зазором на свободном конце волновода с помощью расположенных под острым углом к продольной оси последнего плоских пружин, обеспечивающих смещение в направлении осевой подачи деформирующего инструмента при действии периодической импульсной нагрузки.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки предлагаемым устройством для вибрационного поверхностного пластического деформирования на примере заготовки - вала, установленного в патроне и центре на токарном станке; на фиг.2 - конструкция инструмента и положение его при действии только статической нагрузки; на фиг.3 - положение инструмента при действии статической и периодической импульсной нагрузок; на фиг.4 - совмещенные положения инструмента: положение 1 - при действии только статической нагрузки; положение 2 - при действии статической и периодической импульсной нагрузок; на фиг.5 - разрез по Б-Б на фиг.2; на фиг.6 - разрез по В-В на фиг.2; на фиг.7 - вид по Г на фиг.2; на фиг.8 - вид по Д на фиг.3.

Предлагаемое устройство служит для вибрационного поверхностного пластического деформирования с использованием постоянной статической и периодической импульсной нагрузок на инструмент.

Заготовку 1, например вал, устанавливают в патроне 2 и поджимают центром 3 задней бабки токарного станка, а деформирующее устройство 4, оснащенное механизмами статического и импульсного нагружения инструмента, - в резцедержателе станка 5 (фиг.1). В качестве механизма статического и импульсного нагружения инструмента применяется гидравлический генератор импульсов (не показан) [3, 4].

На свободном конце волновода 6 с некоторым зазором Z_max установлен деформирующий инструмент 7 с помощью плоских пружин 8, расположенных под острым углом к продольной оси волновода 6, таким образом, что при действии периодической импульсной нагрузки Р_им инструмент 7 смещается в направлении осевой подачи S_пр на величину амплитуды А_и.

Инструменту 7 и заготовке 1 сообщают движение подачи S_пр и скорости V_з обработки, вводят их в контакт. В направлении нормали к обрабатываемой поверхности к деформирующему инструменту прикладывают постоянную статическую P_ст силу нагружения, создаваемую за счет прогиба плоских пружин 8, при этом зазор Z_max уменьшается до величины Z_ст.

Статическое нагружение Р_ст осуществляется посредством пружин 8, смонтированных на волноводе 6. Величина статической силы деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала.

Импульсное нагружение Р_им осуществляется посредством удара бойка 9 гидравлического генератора импульсов (не показан) по торцу волновода 6, на котором смонтирован инструмент 7. Энергия удара бойка 9 больше жесткости пружин 8, поэтому инструмент 7 смещается в осевом направлении (согласно фиг.3 - вправо) относительно волновода и зазор Z становится равным нулю Z=0. После прекращения действия энергии удара на инструмент, он перемещается в осевом направлении и возвращается под действием пружин в первоначальное положение (влево относительно волновода, см. фиг.2).

Таким образом, за один удар бойка 9 по волноводу 6 инструмент 7 совершит одно вибродвижение в направлении осевой подачи (см. фиг.1) с амплитудой А_и, зависящей от величины зазора Z и угла наклона пружин 8.

Благодаря такой конструкции крепления инструмента 7 на волноводе 6 на обрабатываемой поверхности остается след (см. фиг.1) в виде синусоиды.

Частота осцилляции инструмента зависит от частоты ударов бойка гидравлического генератора импульсов. Амплитуду А_и осцилляции инструмента можно регулировать изменением величины зазора Z между волноводом и инструментом путем уменьшения или увеличения статического нагружения Р _ст инструмента, воздействуя в поперечном направлении деформирующим устройством 4 на волновод, вызывая при этом прогиб пружин 8 (см. фиг.2).

В результате удара бойка 9 по торцу волновода 6 в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать 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 действии на инструмент только статической нагрузки Р_ст (фиг.2) внедрение его в обрабатываемую поверхность происходит на меньшую величину h_ст и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет минимальный диаметр d_ст (фиг.7), при импульсной нагрузке Р_им (фиг.3) внедрение инструмента в обрабатываемую поверхность происходит на большую величину h_им и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет каплевидную форму максимального диаметра d_им (фиг.8).

Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым вибрационным устройством, достигает 1,5...2,5 мм, что значительно (в 3...4 раза) больше, чем при традиционном статическом упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15...30%. В результате статикоимпульсной обработки предлагаемым вибрационным устройством по сравнению с традиционным накатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 2...3 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7...2,2 раза.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки вала на токарном станке с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частоты ударов, величина амплитуды, величина подачи) 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 статикоимпульсной обработкой слоя в 3...4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном статическом обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. Предлагаемым устройством аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного воздействия на очаг деформации пролонгированного импульса энергии. При близких степенях упрочнения поверхностного слоя величина статической составляющей нагрузки предлагаемым устройством значительно меньше.

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 вибрационным устройством предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Микровибрации в процессе, реализуемом предлагаемым вибрационным 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.

Предлагаемое вибрационное устройство расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности.

Источники информации

1. А.с. СССР, 456719, МКИ В 24 В 39/00. Способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием. 1974.

2. Патент РФ 2098259, МКИ⁶ 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.