устройство для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования вращающимся инструментом

Формула изобретения

Устройство для статико-импульсного 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 равномерно расположенных по периферии под острым углом к продольной оси последнего по меньшей мере трех плоских пружин, обеспечивающих круговые возвратно-крутильные колебательные движения деформирующего инструмента относительно продольной оси волновода при действии периодической импульсной нагрузки, при этом волновод зафиксирован от проворота относительно собственной продольной оси посредством шпонки и в него ввернут упор для регулирования угла проворота деформирующего инструмента при круговых возвратно-крутильных колебательных движениях.

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 вращающимся инструментом.

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, отличаются 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, осуществляемое 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 и интенсификация пластической деформации материала в очаге деформации и управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности за счет дополнительного крутильного движения инструмента, вращающегося относительно своей продольной оси в момент деформирования.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного 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 равномерно расположенных по периферии под острым углом к продольной оси последнего по меньшей мере трех плоских пружин, обеспечивающих круговые возвратно-крутильные колебательные движения деформирующего инструмента относительно продольной оси волновода при действии периодической импульсной нагрузки, при этом волновод зафиксирован от проворота относительно собственной продольной оси посредством шпонки и него ввернут упор для регулирования угла проворота деформирующего инструмента при круговых возвратно-крутильных колебательных движениях.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки предлагаемым устройством для поверхностного пластического деформирования на примере заготовки - вала, установленной в патроне и центре на токарном станке; на фиг.2 - конструкция устройства крепления инструмента и положение его при действии только статической нагрузки; на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.2; на фиг.4 - разрез по Б-Б на фиг.2, положение 1 - положение инструмента при статической нагрузке, положение 2 - положение инструмента при действии статической и периодической импульсной нагрузок; на фиг.5 - общий вид при положении инструмента при действии статической и периодической импульсной нагрузок.

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

Заготовку, 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 установлен деформирующий инструмент 7 с помощью не менее трех плоских пружин 8, равномерно расположенных по периферии под острым углом к продольной оси волновода 6 таким образом, что при действии периодической импульсной нагрузки Р_им инструмент 7 совершает круговые возвратно-крутильные движения на угол относительно продольной оси волновода 6. При этом во избежание проворота волновода 6 вокруг своей продольной оси его фиксируют шпонкой 9, установленной в волноводе и скользящей в пазу устройства 4.

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 пружин 8, при этом зазор Z 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 10 гидравлического генератора импульсов (не показан) по торцу волновода 6, на котором смонтирован инструмент 7. Энергия удара бойка 10 больше жесткости пружин 8, поэтому пружины 8 прогибаются и закручиваются, а инструмент 7 проворачивается относительно продольной оси волновода на угол (фиг.4), переходя из положения 1 в положение 2 до тех пор, пока зазор Z не станет равным нулю Z=0. После прекращения действия энергии удара на инструмент пружины раскручиваются и инструмент проворачивается на угол в обратном направлении.

Таким образом, за один удар бойка 10 по волноводу 6 инструмент 7 совершит одно возвратно-крутильное движение относительно продольной оси на угол , зависящий от величины зазора Z и угла наклона пружин 8. Зазор Z регулируют путем осевого перемещения упора 11 в волноводе 6, которые сопрягаются друг с другом по резьбовой поверхности. Направляющая бобышка 12 инструмента 7, скользящая в отверстии волновода 6, встречаясь с упором 11, ограничивает угол закручивания инструмента 7.

Благодаря такой конструкции крепления инструмента 7 на волноводе 6 в очаге деформации реализуется дополнительное крутильное движение, позволяющее интенсифицировать пластическую деформацию материала.

Частота крутильных движений инструмента зависит от частоты ударов бойка гидравлического генератора импульсов.

Статическое нагружение Р_ст инструмента осуществляют воздействием деформирующего устройства 4 на волновод 6, вызывая при этом прогиб пружин 8 (см. фиг.2). Жесткость, конструкция и заделка пружин может быть различна и зависит условий обработки и технических требований к обрабатываемой поверхности.

В результате удара бойка 10 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 и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет минимальные размеры, при импульсной нагрузки Р_им (фиг.5) внедрение инструмента в обрабатываемую поверхность происходит на большую величину и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет максимальные размеры.

Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым 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 статико-импульсной обработки предлагаемым 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 (частота ударов, угол закручивания инструмента, 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 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 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 устройством с дополнительным крутильным движением предельная величина шероховатости составляет Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Крутильные движения в процессе, реализуемом предлагаемым устройством, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение возвратно-крутильных колебаний 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 устройство с возвратно-крутильными колебаниями 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.