устройство для электростатикоимпульсной обработки

Формула изобретения

Устройство для поверхностного пластического деформирования, содержащее инструмент с бойком и волноводом, выполненными в виде стержней одинакового диаметра, и закрепленный на свободном конце волновода деформирующий инструмент, установленный из условия приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности заготовки статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки, отличающееся тем, что оно снабжено низковольтным источником для подвода электрического тока к деформирующему инструменту и токоподводящим роликом, обеспечивающим подвод электрического тока от упомянутого низковольтного источника к заготовке, деформирующий инструмент выполнен в виде деформирующего ролика с наружным диаметром D и радиусом закругления его рабочей поверхности r, причем указанный наружный диаметр D выбран из соотношения 2r D/2 r, а упомянутый токоподводящий ролик установлен диаметрально противоположно относительно деформирующего инструмента из условия приложения к нему статической нагрузки, равной по величине и противоположно направленной статической нагрузке, приложенной к деформирующему инструменту.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для комбинированной отделочно-упрочняющей обработки заготовок из сталей и сплавов электрическим термическим 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 низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известны способ и устройство для статико-импульсной 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 технологическими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей за счет совмещения электрического термического воздействия со статико-импульсной обработкой поверхностным пластическим деформированием, позволяющим управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности, а также повышение качества обрабатываемой поверхности и производительности обработки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для поверхностного пластического деформирования, содержащего инструмент с бойком и волноводом, выполненными в виде стержней одинакового диаметра, и закрепленный на свободном конце волновода деформирующий инструмент, установленный из условия приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности заготовки статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки, причем оно снабжено низковольтным источником для подвода электрического тока к деформирующему инструменту и токоподводящим роликом, обеспечивающим подвод электрического тока от упомянутого низковольтного источника к заготовке, деформирующий инструмент выполнен в виде деформирующего ролика с наружным диаметром D и радиусом закругления его рабочей поверхности r, причем указанный наружный диаметр D выбран из соотношения 2r D/2 r, а упомянутый токоподводящий ролик установлен диаметрально противоположно относительно деформирующего инструмента из условия приложения к нему статической нагрузки, равной по величине и противоположно направленной статической нагрузке, приложенной к деформирующему инструменту.

Особенности конструкции и работы устройства поясняются чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки предлагаемым устройством для поверхностного пластического деформирования с электрическим термическим воздействием на примере заготовки - вала, установленного в патроне и заднем центре на токарном станке; на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1.

Предлагаемое устройство служит для поверхностного пластического деформирования с использованием постоянной статической и периодической импульсной нагрузки на инструмент и электрическим термическим воздействием на обрабатываемую поверхность.

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 [3, 4].

Деформирующее устройство 4 инструмента выполнено в виде деформирующего ролика диметром D и радиусом закругления рабочей поверхности r, соотношение размеров которого определено по формуле:

2r D/2 r,

где D - наружный диметр деформирующего ролика, мм;

r - радиус закругления рабочей поверхности деформирующего ролика, мм.

Инструменту и заготовке сообщают движение подачи и скорости обработки, вводят их в контакт. В направлении нормали к обрабатываемой поверхности к деформирующему инструменту прикладывают постоянную статическую P_ст и периодическую импульсную Р_им нагрузку.

Статическое нагружение Р_ст осуществляется посредством пружины 6, смонтированной на волноводе 7. Величина статической силы деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала.

Импульсное нагружение Р_им осуществляется посредством удара бойка 8 по торцу волновода 7, являющегося инструментом.

К деформирующему инструменту 4 и обрабатываемой заготовке 1 подводится электрический ток от низковольтного источника 9 большой мощности с целью дополнительного термического воздействия на обрабатываемую поверхность. Электрический ток технологического напряжения подведен к заготовке 1 через токопроводящий ролик 10, к которому приложена равная по величине Р _ст и противоположно направленная сила статического воздействия на заготовку деформирующим инструментом, при этом токопроводящий ролик 10 установлен диаметрально противоположно к деформирующему инструменту 4.

Токопроводящий ролик 10 выполняет роль подвижного люнета, применяемого при обработке нежестких и тяжелых валов и для уравновешивания односторонне действующей деформирующей силы Р_ст.

Деформирующий инструмент в виде сферической поверхности (см. прототипы [1, 2]) имеет существенный недостаток: деформирующий элемент находится под действием технологического напряжения от низковольтного источника, и поэтому из-за микроэлектроэрозионных явлений в зоне обработки происходит износ деформирующего инструмента и ухудшается качество обработки. Конструкция предлагаемого деформирующего ролика 4, шарнирно закрепленного на волноводе 7, лишена такого недостатка.

В результате удара бойка 8 по торцу волновода 7 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 прохождении через зону обработки тока от низковольтного источника большой мощности возникает локальный нагрев обрабатываемого материала, снижаются его твердость и прочность, возрастает предрасположенность материала заготовки к получению последующего технологического воздействия.

В результате статического и импульсного давления и рабочего продольного перемещения деформирующего ролика обеспечиваются пластическое деформирование поверхности заготовки и сглаживание микронеровностей.

Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым устройством, достигает 2...3 мм, что значительно (в 3...4 раза) больше, чем при традиционном статическом упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15...30%. В результате электро-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 2...2,5 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, радиус ролика 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. Сила тока 0,3...1,0 кА, скорость обработки 0,2...2 м/с, продольная подача инструмента 0,2...0,3 мм/об.

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 электро-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 электро-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_а=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз благодаря локальному нагреву обрабатываемого материала, снижающего его твердость и прочность.

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 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. Бюл. №34, 1997.