устройство для обработки поверхностным пластическим деформированием охватывающей пружиной

Формула изобретения

Устройство для обработки поверхностным пластическим деформированием охватывающей пружиной, содержащее корпус и рабочие деформирующие элементы в виде витков винтовой пружины для обработки заготовки с натягом, отличающееся тем, что оно снабжено храповым механизмом, рукояткой и корпусом с неподвижной крышкой, в которой жестко закреплен один конец винтовой пружины, и крышкой, выполненной с возможностью вращения, в которой подвижно установлен другой конец винтовой пружины с возможностью закручивания и раскручивания винтовой пружины посредством рукоятки и храпового механизма, упомянутая винтовая пружина выполнена из условия обеспечения радиальной подачи с внутренним диаметром ее витков, меньшим диаметра обрабатываемой заготовки на величину двойного натяга, и с возможностью введения заготовки в отверстия ее витков для обеспечения контакта внутренней поверхности витков винтовой пружины с заготовкой и осуществления схватывания заготовки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к отделочной обработке поверхностным пластическим деформированием заготовок винтов и др. деталей типа валов из сталей и сплавов, и касается конструкций многоэлементных деформирующих инструментов в виде винтовых пружин.

Известна конструкция инструмента, содержащего корпус, по периферии которого в пазах жестко закреплены упругие рабочие деформирующие элементы, выполненные в виде витков, принадлежащие винтовой пружине [1].

Недостатками известного инструмента являются: узкие технологические возможности, низкая производительность применительно к чистовой, отделочной обработке винтов и др. деталей типа валов из-за малого пятна контакта рабочих элементов с обрабатываемой поверхностью, а также низкое качество обработки.

Известен вращающийся пружинный инструмент для динамического упрочнения поверхностным пластическим деформированием, у которого на наружной поверхности дисковой державки закреплена свернутая в кольцо цилиндрическая пружина [2]. Отдельные витки пружины при рабочем вращении державки инструмента играют роль деформирующих элементов, которые взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью вращающейся заготовки, установленной на токарно-винторезном станке.

Недостатками известного инструмента являются: узкие технологические возможности, которые не позволяют обрабатывать фасонные поверхности с малыми радиусами кривизны, и низкая производительность из-за небольшого количества деформирующих элементов, а также упрочнение на незначительную глубину из-за того, что каплевидный контакт деформирующего элемента с заготовкой расположен продольно и значительной протяженности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей, заключающихся в улучшении параметра шероховатости обработанной поверхности, благодаря последовательным действиям большого количества деформирующих элементов, в повышении производительности за счет увеличения пятна контакта этих элементов с обрабатываемой поверхностью и возможности применения больших подач и регулирования рабочих усилий, в снижении себестоимости процесса и удешевлении изготовления инструмента благодаря компактности и простоте конструкции, в возможности обрабатывать сложнофасонные тела вращения и нейтрализовать биения поверхности заготовки, которые отрицательно сказываются на качестве обработки, в разгрузки узлов технологической системы: станок - приспособление - инструмент - заготовка от односторонне приложенного усилия особенно при обработке нежестких заготовок.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства, предназначенного для обработки поверхностным пластическим деформированием охватывающей пружиной, содержащего рабочие деформирующие элементы в виде витков винтовой пружины для обработки заготовки с натягом, причем оно снабжено храповым механизмом, рукояткой и корпусом с неподвижной крышкой, в которой жестко закреплен один конец винтовой пружины и крышкой, выполненной с возможностью вращения, в которой подвижно установлен другой конец винтовой пружины с возможностью закручивания и раскручивания винтовой пружины посредством рукоятки и храпового механизма, упомянутая винтовая пружина выполнена из условия обеспечения радиальной подачи с внутренним диаметром ее витков, меньшим диаметра обрабатываемой заготовки на величину двойного натяга и с возможностью введения заготовки в отверстия ее витков для обеспечения контакта внутренней поверхности витков винтовой пружины с заготовкой и осуществления схватывания заготовки.

Особенности конструкции устройства поясняются чертежами.

На фиг.1 показано предлагаемое устройство для поверхностного пластического деформирования (ППД), частичный продольный разрез, и схема процесса обработки наружной поверхности винта винтового насоса; на фиг.2 - вид слева по А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - элемент Д на фиг.2; на фиг.5 - сечение В-В на фиг.4; на фиг.6 - сечение Г-Г на фиг.5;

Предлагаемое устройство служит для обработки поверхностным пластическим деформированием наружных поверхностей вращения заготовок типа валов и винтов с большим шагом, например винтов винтовых насосов, а также эксцентриковых валов и др. сложнопрофильных деталей.

Обработку выполняют на токарных, карусельных станках с сообщением вращательного движения заготовке - V _з и движения продольной подачи - S_пр обкатывающему устройству.

Предлагаемое устройство содержит корпус 1 в виде обечайки, имеющей основание, которым оно устанавливается и закрепляется, например, на суппорте токарного станка. Боковые стороны корпуса 1 закрыты крышками 2 и 3, которые имеют центральные отверстия для свободного прохождения обрабатываемой заготовки 4.

Внутри корпуса 1 расположены рабочие деформирующие элементы 5, выполненные в виде витков винтовой пружины 6. Пружина изготовлена таким образом, что внутренний диаметр витков 5 пружины 6 меньше диаметра обрабатываемой заготовки 4 на величину двойного натяга, который обеспечивает радиальную подачу и радиальное усилие Р _ст, необходимое для поверхностного пластического деформирования.

Перед началом обработки заготовка 4 вводится в отверстия витков 5 пружины 6 так, что витки внутренней поверхностью контактируют с наружной поверхностью заготовки, охватывая ее. Один конец 7 пружины 6 закреплен в неподвижной крышке 2 жестко, а другой конец 8 установлен во вращающейся крышке 3 подвижно с возможностью закручивания и раскручивания пружины 6 с помощью рукоятки 9 и храпового механизма 10, которые закреплены на крышке 3.

Подвижная, имеющая возможность вращаться относительно центральной продольной оси, крышка 3 закреплена на корпусе 1 с помощью кольца 11. На наружной поверхности торца подвижной крышки 3 расположено храповое колесо 12, а храповик 13 шарнирно закреплен с помощью винта 14 на корпусе 1. Вращение подвижной крышки 3 осуществляется с помощью рукоятки 9, которая установлена в кронштейне 15 и может быть съемной. Для постоянного контакта храповика 13 с храповым колесом 12 на винте 14 установлена пружина 16, один конец которой закреплен в пазу кольца 11, а другой конец закреплен на храповике 13.

Деформирующая пружина 6 полностью охватывает обрабатываемую заготовку. Это исключает одностороннее воздействие деформирующего инструмента и прогиб оси при обработке ППД нежестких заготовок с большими статическими нагрузками - Р_ст , с которыми работают традиционные обкатывающие инструменты.

Необходимая статическая нагрузка - Р_ст , обеспечивающая поверхностную пластическую деформацию, создается конструкцией пружины 6, обладающей упругостью и благодаря тому, что внутренний диаметр витков 5 меньше диаметра обрабатываемой заготовки 4 на величину двойного натяга.

Предлагаемое устройство крепится, например, на суппорте токарного станка (не показан), обрабатываемая заготовка, например винт 4, закрепляется в патроне 17 шпинделя 18 передней бабки 19 и поджимается центром 20 задней бабки 21.

После того как заготовка 4 закреплена в патроне 17, устройство подводят к свободному концу заготовки и с помощью ручной продольной подачи суппорта заготовку вводят в центральное отверстие корпуса 1, в отверстия крышек 2 и 3, а также в отверстия витков 5 пружины 6, преодолевая сопротивление последней, а затем заготовку поджимают задним центром 20. Легкость ввода заготовки 4 в отверстия витков 5 пружины 6 обеспечивается тем, что пружина 6 раскручена рукояткой 9, и внутренние диаметры витков 5 равны или больше наружного диаметра заготовки 4.

Перед включением движения вращения V_з заготовки производят настройку на необходимую статическую нагрузку - Р _ст, обеспечивающую поверхностную пластическую деформацию, путем вращения рукоятки 9 и закручивания деформирующей пружины 6, давая натяг виткам пружины.

В процессе работы с включением вращательного движения заготовки V_з и продольной подачи S_пр упругие деформирующие элементы пружины 6 осуществляют поверхностную пластическую деформацию.

Обладая упругостью, деформирующие элементы пружины 6 обеспечивают более эластичный прижим к обрабатываемой сложнофасонной поверхности, благодаря чему достигается более равномерное упрочнение обрабатываемой поверхности.

Наличие упругого элемента, которым является деформирующая пружина 6, обеспечивает постоянное усилие упрочнения в любой точке обрабатываемой сложнофасонной поверхности.

Предлагаемое устройство дает возможность наиболее полно использовать рабочую поверхность деформирующих элементов и, тем самым, значительно повысить долговечность инструмента.

Упругие элементы инструмента, т.е. пружина, изготовляется из сталей: легированных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А. Твердость рабочей поверхности витков из сталей HRC 62...65. Рабочая поверхность деформирующих витков пружины 6 полируется до Ra=0,08...0,16 мкм. Пружина 6 может быть навита с малым шагом, равным диаметру проволоки, из которой изготовлена пружина, а также с большим шагом, способствующим лучшему проникновению смазывающе-охлаждающей жидкости в зону контакта.

Производительность процесса упрочняющей обработки предлагаемым устройством определяется диаметром проволоки, из которой изготовлена пружина. При обработке заготовок 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).

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

Наиболее целесообразно обрабатывать ППД исходные поверхности 7...11-го квалитетов.

При обработке предлагаемым устройством практически достигаются параметры шероховатости Ra=0,2...0,8 мкм при исходных значениях этих параметров 0,8...6,3 мкм. Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от материала, рабочего усилия или натяга, подачи, исходной шероховатости, конструкции устройства и т.д.

Обработку предлагаемым устройством 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 заготовки 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...50 м/мин. Значение усилия обработки выбирают в зависимости от цели обработки. Оптимальное усилие Р_ст (Н), соответствующее максимальному пределу выносливости, определяют по формуле:

Р _ст=500+1,66 D²,

где D - диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм.

Предлагаемое устройство с многоэлементным деформирующим пружинным инструментом обеспечивает постоянное усилие контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью и почти не уменьшает погрешности предшествующей обработки, являясь копирующим.

Смазывающе-охлаждающей жидкостью при обработке предлагаемым устройством служит сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.

Пример. Обрабатывался винт левый Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500 (см. фиг.1), который имел следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина винтовой части - 1208 мм, диаметр поперечного сечения винта - 27^-0,05 мм, эксцентриситеты - 1,65 мм, 3,3 мм, шаг - 28^±0,01 мм, шероховатость Ra=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с помощью устройства с деформирующей пружиной. Пружина была выполнена с внутренним диаметром витков в свободном ненагруженном состоянии - 20 мм, из проволоки диаметром 5 мм. Рабочая поверхность деформирующих витков пружины полировалась до Ra=0,08...0,16 мкм.

Устройство закреплялось на суппорте станка. Смазочно-охлаждающая жидкость - сульфофрезол. Окружная скорость заготовки - V _з=21 м/мин (0,35 м/с), n_з=250 об/мин, продольная подача S_пр=0,25 мм/об, требуемая шероховатость и точность винтовой поверхности была достигнута через Т_м=15,5 мин (против Т _м ^баз-36,5 мин по базовому варианту при традиционном обкатывании шариковым обкатником на токарном станке 1К62 на АО "Ливгидромаш"). В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повысился до Ra=0,4 мкм при исходном значении Ra=3,2 мкм. Твердость поверхности увеличилась на 30...80% при глубине наклепанного слоя 0,3...3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигли на поверхности 400...800 МПа.

Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68. Накопленная погрешность между любыми не соседними шагами была не более 0,1 мм, просвет при контроле лекальной линейкой образующих по диаметру выступов - не более 0,07 мм, что допустимо по ТУ.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности процесса поверхностного пластического деформирования, повышает параметр шероховатости обработанной поверхности, увеличивает ее твердость на значительную глубину, повышает производительность за счет увеличения пятна контакта большого количества деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, а также снижает себестоимость процесса и сокращает расходы на изготовление оснастки.

Источники информации

1. Патент Германии № 665083, кл. 67 с.1, 1940.

2. Никифоров А.В., Сахаров В.В. Технологические возможности и перспективы чистовой и упрочняющей обработки упругим инструментом (Машиностроит. Пр-во. Сер. Прогрессивные технол. процессы в машиностроении: Обзорн. информ. / ВНИИТЭМР. Вып.5). - М., 1991 - С.31...37 - прототип.