способ вибрационной статико-импульсной обработки

Формула изобретения

Способ поверхностного пластического деформирования, включающий приложение к деформирующему инструменту нормально к обрабатываемой поверхности статической и периодической импульсной нагрузки посредством бойка и волновода, выполненных в виде стержней одинакового диаметра, и осуществление осевой подачи деформирующего инструмента, отличающийся тем, что деформирующий инструмент устанавливают с зазором на свободном конце волновода с помощью расположенных под острым углом к продольной оси последнего плоских пружин, обеспечивающих вибродвижение с амплитудой в направлении осевой подачи деформирующего инструмента, при этом осуществляют регулирование упомянутой амплитуды путем изменения величины зазора между свободным концом волновода и деформирующим инструментом посредством изменения статической нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагружением вибрирующего инструмента.

Известен способ 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 отличается низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, осуществляемый 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 отличается 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 поверхности путем использования инструмента с осциллирующим движением.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа поверхностного пластического деформирования, включающего приложение к деформирующему инструменту нормально к обрабатываемой поверхности статической и периодической импульсной нагрузки посредством бойка и волновода, выполненных в виде стержней одинакового диаметра, и осуществление осевой подачи деформирующего инструмента, причем деформирующий инструмент устанавливают с зазором на свободном конце волновода с помощью расположенных под острым углом к продольной оси последнего плоских пружин, обеспечивающих вибродвижение с амплитудой в направлении осевой подачи деформирующего инструмента, при этом осуществляют регулирование упомянутой амплитуды путем изменения величины зазора между свободным концом волновода и деформирующим инструментом посредством изменения статической нагрузки.

Сущность способа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки по предлагаемому способу вибрационного поверхностного пластического деформирования на примере заготовки - вала, установленной в патроне и заднем центре токарного станка; на фиг.2 - положение инструмента 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.

Предлагаемый способ служит для вибрационного поверхностного пластического деформирования с использованием постоянной статической и периодической импульсной нагрузки на инструмент, который осциллирует в осевом направлении.

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 Р_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 способом, 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 статико-импульсной обработки по предлагаемому способу вибрационным инструментом 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 по предлагаемому способу, проведены экспериментальные исследования обработки вала на токарном станке с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частота 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 P_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 в 3...4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном статическом обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. Предлагаемым способом 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 по предлагаемому способу 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 способом предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Микровибрации в процессе 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.

Предлагаемый способ 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.