способ статико-импульсного поверхностного пластического деформирования

Формула изобретения

1. Способ статико-импульсного поверхностного пластического деформирования заготовок валов или винтов винтовых насосов, включающий приложение к деформирующему инструменту, установленному на свободном конце волновода, нормально к обрабатываемой поверхности периодической импульсной нагрузки посредством бойка и волновода, выполненных в виде стержней одинакового диаметра, приложение к обрабатываемой поверхности нормально к ней статической нагрузки деформирующим инструментом и обеспечение осевой подачи последнего, отличающийся тем, что используют деформирующий инструмент, выполненный из условия осуществления обработки заготовки с натягом в виде охватывающей обрабатываемую заготовку винтовой цилиндрической пружины, свернутой в кольцо, внутренний диаметр которого меньше диаметра обрабатываемой заготовки на величину двойного натяга.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют деформирующий инструмент, содержащий натяжное устройство для осуществления регулирования 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 деформирующего 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, имеет ограниченные технологические возможности, отличается 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 отличается ограниченными технологическими возможностями и 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, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности путем использования упругого деформирующего инструмента в виде кольцевой винтовой цилиндрической пружины, которая охватывает заготовку.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа статико-импульсного поверхностного пластического деформирования валов или винтов винтовых насосов, включающего приложение к деформирующему инструменту, установленному на свободном конце волновода, нормально к обрабатываемой поверхности периодической импульсной нагрузки посредством бойка и волновода, выполненных в виде стержней одинакового диаметра, создание нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки деформирующим инструментом и обеспечение осевой подачи последнего, при этом статическую нагрузку создают деформирующим инструментом, выполненным из условия осуществления обработки заготовки с натягом в виде охватывающей обрабатываемую заготовку винтовой цилиндрической пружины, свернутой в кольцо, внутренний диаметр которого меньше диаметра обрабатываемой заготовки на величину двойного натяга, используют деформирующий инструмент, содержащий натяжное устройство для осуществления регулирования статической нагрузки.

Сущность способа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки статико-импульсным поверхностным пластическим деформированием на примере заготовки - винта винтового насоса, установленной в патроне и заднем центре на токарном станке; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - элемент Б на фиг.2, деформирующая пружина находится в рабочем положении и обеспечивает статическую нагрузку, воздействующую на заготовку; на фиг.4 - элемент Б на фиг.2, деформирующая пружина наводится в свободном, не рабочем положении и не оказывает статической нагрузки на заготовку, последняя находится в положении загрузки-выгрузки.

Предлагаемый способ предназначен для поверхностного пластического деформирования деталей типа валов или винтов с использованием постоянной статической Р _ст и периодической импульсной Р_им нагрузок на многоэлементный деформирующий инструмент.

Заготовку 1, например винт винтового насоса, устанавливают в патроне 2, который закреплен на шпинделе 3 передней бабки 4 и поджимают центром 5 задней бабки 6 токарного станка, а деформирующее устройство 7, оснащенное механизмом импульсного нагружения инструмента, - в резцедержателе 8 станка (фиг.1). В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяется гидравлический генератор импульсов (ГГИ) (не показан) [3, 4].

На свободном конце волновода 9 установлен деформирующий инструмент 10 в виде винтовой цилиндрической пружины из стали круглого сечения, свернутой в кольцо, которое охватывает обрабатываемую заготовку 1. Жесткость винтовой цилиндрической пружины, свернутой в кольцо, является источником статического нагружения Р_ст деформирующим инструментом обрабатываемой заготовки.

Кольцевая пружина 10 несколькими своими витками жестко закреплена в пазах волновода 9 известными способами, например чеканкой, как показано на фиг.2.

Внутренний диаметр D_пр кольца пружины 10 меньше диаметра D_з обрабатываемой заготовки на величину двойного натяга, который обеспечивает статическую нагрузку Р _ст. Конструкция пружины 10 в виде замкнутого кольца, изображенная на фиг.1 и 2, обеспечивает постоянную статическую нагрузку Р _ст, последняя зависит от свойств данной пружины, является величиной постоянно и равномерно воздействующей на всю охватываемую периферийную поверхность заготовки, с которой пружина контактирует.

Для регулирования натяга и статической нагрузки Р _ст используется разомкнутая кольцевая пружина 10 с натяжным устройством 11. Конструкция натяжного устройства 11, изображенная на фиг.3 и 4, в своем составе имеет два диска 12, жестко соединенные с витками пружины 1. К одному из дисков 12, к имеющимся на нем цапфам, цепляются крючки 13, а на цапфах другого диска 12 шарнирно установлена рукоятка 14. Крючки 13 шарнирно закреплены на рукоятке 14, поворачивая которую пружина охватывает заготовку с определенным усилием или освобождает ее при установке и снятии со станка. Меняя, например, длину крючков или длину рукоятки, можно менять усилие статической нагрузки Р_ст.

Вынужденное перемещение в поперечной плоскости деформирующей пружины 10 вместе волноводом 9 при обработке впадин и выступов винтов осуществляется благодаря пружине 15, установленной на волноводе 9.

Импульсное нагружение Р_им производится посредством удара бойка 16 ГГИ (не показан) по торцу волновода 9, на котором смонтирован инструмент - деформирующая пружина 10. Энергия удара бойка 16 больше жесткости витков пружины 10, поэтому витки будут деформироваться, превращаясь из цилиндрических в эллипсные. После прекращения действия энергии удара на инструмент витки восстанавливают свою первоначальную цилиндрическую форму.

Таким образом, за один удар бойка 16 по волноводу 9 часть витков, жестко соединенных с волноводом 9, совершат одно поперечное движение к центру обрабатываемой заготовки. Частота поперечной осцилляции инструмента зависит от частоты ударов бойка ГГИ.

В результате удара бойка 16 по торцу волновода 9 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.

Обработку начинают с введения заготовки в кольцевую пружину 10. Если пружина 10 без натяжного устройства (см. фиг.2), то принудительный ее разжим осуществляют, например, пользуясь фаской, которая имеется на торце обрабатываемой заготовки или др. известными технологическими приемами. Если пружина 10 имеет натяжное устройство конструкции, представленной на фиг.3 и 4, то введение заготовки в контакт с пружиной намного упрощается, для чего пользуются рукояткой 14.

Устройству 7 с инструментом 10 сообщают движение подачи S_пр, а заготовке 1 сообщают вращательное движение с частотой V_з. Деформирующий инструмент - пружина - создает постоянную статическую Р_ст силу нагружения в направлении нормали к обрабатываемой поверхности и равномерно воздействующую на всю охватываемую периферийную поверхность заготовки, с которой пружина контактирует.

Величина статической силы Р_ст деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала, при этом витки деформирующей пружины, как правило, не деформируются и не изменяют свою форму в поперечном сечении пружины.

При действии на инструмент только статической нагрузки Р_ст внедрение его деформирующих элементов в обрабатываемую поверхность происходит на меньшую величину и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет минимальные размеры пятна контакта. При импульсной нагрузке Р _им внедрение инструмента в обрабатываемую поверхность происходит на большую величину и след инструмента на обрабатываемой поверхности имеет максимальные размеры пятна контакта. Импульсная нагрузка Р_им воздействует на заготовку не через все витки пружины 1, а только те, которые жестко соединены с волноводом 9. Одностороннее действие Р_им импульсной нагрузки вызывает прогиб оси обрабатываемой нежесткой заготовки изделия, которым является винт, и требует уравновешивающей силы, последняя обеспечивается, например, люнетом (не показан).

Упругий деформирующий элемент инструмента, т.е. пружину 1, изготовляют из сталей: легированных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А. Твердость рабочей поверхности витков из сталей HRC 62...65.

Рабочая поверхность витков полируется до R_a=0,08...0,16 мкм.

Производительность предлагаемого процесса обработки пружинным инструментом определяется наружным диаметром витка пружины и диаметром проволоки, из которой изготовлена пружина. При обработке винтов диаметр витка пружины диктуется размерами впадины винтовой поверхности, а именно диаметр витка пружины должен быть таким, чтобы он контактировал со всеми точками днища впадины в продольном сечении винта (см. фиг.1).

Инструмент с большим диаметром витка пружины и диаметром проволоки позволяет вести обработку с большой продольной подачей S _пр, однако в этом случае необходимо создавать большие рабочие усилия, что снижает качество поверхности. От значения допустимого рабочего усилия зависят параметры деформирующей пружины.

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 предлагаемым способом 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.

Обкатывание предлагаемым способом следует проводить так, чтобы заданные результаты достигались за один проход. Не следует использовать обратный ход в качестве рабочего хода, так как повторные проходы в противоположных направлениях могут привести к излишнему деформированию и отслаиванию поверхностного слоя.

Скорость V_з не оказывает заметного влияния на результаты обработки и выбирается с учетом требований производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость V_з составляет 30...150 м/мин. Значение усилия обкатывания выбирают в зависимости от цели обработки.

Оптимальная подача S_э на один деформирующий элемент не должна превышать 0,1...0,5 мм/об. Продольную подачу на один оборот заготовки S _пр определяют по формуле:

S_пр =kS_э,

где k - число деформирующих элементов.

Поэтому продольную подачу на один оборот заготовки S_пр принимают S_пр =0,2...3 мм/об.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного по предлагаемому способу, проведены экспериментальные исследования обработки винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500, который имел следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина винтовой части - 1208 мм, диаметр поперечного сечения винта - 27^-0,05 мм, эксцентриситет - 3,3 мм, шаг - 28^±0,01 мм. шероховатость R_a=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 40Х, твердость НВ 270-280, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с использованием устройства с пружинным инструментом и стенда с гидравлическим генератором импульсов. Режимы обработки: частота вращения заготовки - V_з=80...100 м/мин, S_пр=1,5...2,0 мм/об. Деформирующим элементом являлась пружина из термообработанной стали марки 65Г, которая изготовлялась из проволоки диаметром 2 мм, диаметр витков пружины 25 мм, число витков 21 при шаге 4 мм. Рабочая поверхность витков полировалась до R_a=0,08...0,16 мкм.

Значения технологических факторов (частоты ударов, 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 2,5...4,0 кН, а импульсного - Р_им =25,5...40,0 кН.

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 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 способом предельная величина шероховатости составляет R_а=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Деформации витков деформирующей пружины в процессе благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Они приводят к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывают дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчают формирование упрочняемой поверхности.

Деформации инструмента способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении импульсной нагрузки и деформации витков деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний размеров инструмента 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, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности.

Источники информации, принятые во внимание:

1. А. с.СССР, 456719, МКИ В24В 39/00. Способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием. 1974.

2. Патент РФ 2098259, МКИ ⁶ В24В 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.