способ обработки поверхностным пластическим деформированием сферических поверхностей

Формула изобретения

Способ обработки поверхностным пластическим деформированием заготовок, имеющих сферическую поверхность и сопряженную с ней шейку, включающий воздействие деформирующим инструментом на вращающуюся относительно ее продольной оси заготовку для осуществления обработки с натягом, отличающийся тем, что используют деформирующий инструмент в виде запрессованных в патроне по меньшей мере трех втулок с внутренней рабочей поверхностью: по меньшей мере одной первой втулки, по меньшей мере одной средней втулки и последней втулки и сообщают патрону движение подачи в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки, при этом указанные втулки имеют продольный паз для свободного прохождения шейки заготовки, внутренняя рабочая поверхность первой и средней втулок выполнена в виде шлицевой поверхности с размерами d_выст и d _вп, шлицевая поверхность средней втулки смещена в окружном направлении на один шлиц относительно шлицевой поверхности первой втулки, внутренняя рабочая поверхность последней втулки выполнена с гладкой цилиндрической поверхностью, которой осуществляют калибровку сферической поверхности заготовки в размер d_сф , диаметры внутренних рабочих поверхностей втулок определены из следующих выражений:

d_выст=d _заг-2×0,8×t,

d_вп=d _заг,

d_сф=d_заг -2×t,

где d_заг - наружный диаметр сферической поверхности заготовки, мм; d_выст - внутренний диаметр втулок по выступам шлиц, мм; d _вп - внутренний диаметр втулок по впадинам шлиц, мм; t - натяг, мм; d_сф - наружный диаметр сферической поверхности после обработки, мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам упрочнения, калибрования и деформирующего протягивания металлических сферических поверхностей деталей, например автомобильных шаровых пальцев, из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД).

Известен способ и устройство для обработки поверхностным пластическим деформированием заготовок, имеющих сферическую поверхность и сопряженную с ней шейку, включающий воздействие деформирующим инструментом на вращающуюся относительно ее продольной оси заготовку для осуществления обработки с натягом [Патент RU 2188115 С1, В24В 39/04, 27.08.2002].

Способ и устройство отличается ограниченными возможностями, низким КПД и производительностью, небольшой глубиной упрочненного слоя и невысокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, сложностью, большой энергоемкостью и металлоемкостью конструкции, а также массогабаритными показателями.

Известен способ и инструмент для обработки неполных сферических поверхностей деталей ППД, при котором обрабатываемой заготовки и деформирующему инструменту сообщают вращательное движение, причем деформирующему инструменту сообщают вращение по окружности, лежащей в плоскости, смещенной относительно центра обрабатываемой сферической поверхности, при этом угловая скорость деформирующего инструмента связана с угловой скоростью обрабатываемой заготовки соотношением _ин>> _д, кроме того, дано математическое соотношение между усилием нагружения и усилием обкатывания [1].

Способ и инструмент отличаются низким КПД, большой энергоемкостью, малой глубиной упрочненного слоя и небольшой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, при этом примененный не самоустанавливающийся инструмент не позволяет получать качественную обрабатываемую поверхность.

Известны способ и реализующий его двухрядный инструмент ударного действия для обработки наружных цилиндрических поверхностей, у которого первый ряд роликов установлен на упругую «плавающую» самоустанавливающуюся в радиальном направлении оправку, а второй ряд роликов смонтирован на жесткой оправке [2].

Способ и инструмент отличаются ограниченными возможностями и используются только для обработки наружных цилиндрических поверхностей, низким КПД и производительностью, небольшой глубиной упрочненного слоя и невысокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, сложностью, большой энергоемкостью и металлоемкостью конструкции, а также массогабаритными показателями.

Задачей изобретения является повышение производительности, качества и точности обработки сферической поверхности заготовки, а также расширение технологических возможностей ППД благодаря использованию оригинальной конструкции деформирующего инструмента, позволяющая управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом обрабатываемой сферической поверхности.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа обработки поверхностным пластическим деформированием заготовок, имеющих сферическую поверхность и сопряженную с ней шейку, включающий воздействие деформирующим инструментом на вращающуюся относительно ее продольной оси заготовку для осуществления обработки с натягом, при этом используют деформирующий инструмент в виде запрессованных в патроне по меньшей мере трех втулок с внутренней рабочей поверхностью: по меньшей мере одной первой втулки, по меньшей мере одной средней втулки и последней втулки и сообщают патрону движение подачи в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки, при этом указанные втулки имеют продольный паз для свободного прохождения шейки заготовки, внутренняя рабочая поверхность первой и средней втулок выполнена в виде шлицевой поверхности с размерами d_выст и d _вп, шлицевая поверхность средней втулки смещена в окружном направлении на один шлиц относительно шлицевой поверхности первой втулки, внутренняя рабочая поверхность последней втулки выполнена с гладкой цилиндрической поверхностью, которой осуществляют калибровку сферической поверхности заготовки в размер d_сф , диаметры внутренних рабочих поверхностей втулок определены из следующих выражений:

d_выст=d _заг-2·0,8·t; d_вп=d _заг; d_сф=d_заг -2·t,

где d_заг - наружный диаметр сферической поверхности заготовки, мм; d_выст - внутренний диаметр втулок по выступам шлиц, мм; d _вп - внутренний диаметр втулок по впадинам шлиц, мм; t - натяг, мм; d_сф - наружный диаметр сферической поверхности после обработки, мм.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.

На флг.1 представлена схема поверхностного пластического деформирования (ППД) сферической поверхности шарового автомобильного пальца, где показано окончательное положение заготовки перед выходом из зоны контакта с инструментом; на фиг.2 - вид сверху А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1; на фиг.5 - сечение Г-Г на фиг.1; на фиг.6 - схема разделенного пластического деформирования тремя втулками.

Предлагаемый способ служит для ППД и упрочнения металлических сферических поверхностей, например, в шаровых автомобильных пальцах 1 и др. деталей из сталей и сплавов. Способ реализуется с помощью приспособления 2 для установки, базирования и закрепления заготовки с возможностью вращения ее относительно продольной оси и деформирующего инструмента 3.

Деформирующий инструмент 3 представляет собой набор втулок, запрессованных в патроне 4, установленным, например, на вертикально-протяжном станке (не показан).

Патрон 4 с деформирующим инструментом 3, состоящим из нескольких рабочих втулок 5, 6 и 7, совершает движение подачи S_пр в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки 1, при этом заготовка совершает вращательное движение V_з относительно своей продольной оси.

Деформирующие втулки 5, 6, 7 в количестве не менее трех имеют продольный паз для свободного прохождения шейки 8 заготовки, сопрягаемой со сферической поверхностью 1. Внутренняя поверхность отверстий втулок 5, 6, 7 является рабочей и имеет форму в зависимости от назначения:

- первая контактирующая с заготовкой втулка 7 (или несколько втулок) служит для предварительного ППД и имеет шлицевую поверхность с размерами d_выст - внутренний диаметр шлицевых втулок по выступам шлиц и d _вп - внутренний диаметр шлицевых втулок по впадинам шлиц;

- средняя контактирующая с заготовкой втулка 6 (или несколько втулок) служит также для предварительного ППД и имеет шлицевую поверхность с теми же размерами d_выст и d_вп, но смещенную в окружном направлении относительно первой втулки на один шлиц;

- последняя втулка 5, которой заканчивается обработка заготовки 1, служит для окончательного ППД и имеет гладкую цилиндрическую поверхность, которая калибрует сферическую поверхность заготовки в размер d_сф .

Внутренние диаметры шлицевых отверстий втулок определяются по формулам

d_вп=d _заг; d_выст=d_заг -2·0,8·t; d_сф=d _заг-2·t,

где d_заг - наружный диаметр сферической поверхности заготовки, мм;

d _выст - внутренний диаметр шлицевых втулок по выступам шлиц, мм;

d_вп - внутренний диаметр шлицевых втулок по впадинам шлиц, мм;

t - натяг, мм;

d _сф - окончательный наружный диаметр сферической поверхности после обработки, мм.

Ширина шлиц на втулках 6 и 7 несколько больше ширины впадин и принимается равной b_ш =1,1·b_вп.

Втулки 5, 6, 7 последовательно заделаны в патроне 4, гарантированы от проворота прессовой посадкой и постановкой шпонок 9. Снизу (согласно фиг.1) патрон 4 закрыт крышкой 10.

Основным технологическим параметром процесса ППД является натяг t, который обеспечивается разделенной схемой пластического деформирования между, например, тремя деформирующими втулками 5, 6, 7.

При прохождении втулки 7 сверху вниз (согласно фиг.1) и вращении заготовки вокруг собственной продольной оси образуются следы вдавливания шлиц (поз.t₇ , фиг.6) по площади, несколько больше половины всей поверхности сферы. Оставшуюся часть сферы обрабатывают шлицы следующей втулки 6 (поз.t₆, фиг.6).

Таким образом, предварительное ППД всей сферической поверхности производится последовательно двумя втулками. При больших диаметрах сферы процесс предварительного ППД всей сферической поверхности может быть произведен последовательно несколькими втулками. Однако на поверхности сферы остаются следы поочередной обработки несколькими втулками. Поэтому предусмотрена втулка 5 для окончательного ППД (поз.t ₅, фиг.6), которая выполнена с гладкой внутренней рабочей поверхностью, имеющей чистовой, окончательный размер d _сф.

Внутренняя поверхность втулок имеет прямые шлицы, как наиболее технологичные при изготовлении, например, протягиванием или долблением, однако шлицы могут быть выполнены и винтовыми.

Разделенная схема пластического деформирования позволяет снизить силы при ППД и действия их на механизм поворота заготовки, что увеличивает срок службы инструмента и оборудования в целом и положительно отражается на точности и производительности.

Для полной обработки сферической поверхности заготовка в момент перемещения вдоль втулки поворачивается с перебегом на 1,15...1,25 оборота относительно собственной оси. Таким образом, при перемещении патрона на всю суммарную длину всех втулок заготовка поворачивается на 3,5...4 оборота.

При обработке с натягом t до 0,5 мм уменьшаются отклонения формы в поперечном сечении (отклонение от круглости) и повышается точность размера на 30...35%, уменьшаются параметры шероховатости поверхности. С такими натягами обрабатывают заготовки и после термической обработки.

Суммарный натяг лимитируется пластичностью материала заготовки. Заготовки из хрупких материалов обрабатывают с малыми натягами, так как при больших натягах может произойти ее разрушение.

Обработка втулками обеспечивает оптимальные условия деформирования - инструмент имеет максимальную размерную стойкость.

Материал втулок твердый сплав ВК8 и другие износостойкие инструментальные материалы.

Радиальное биение рабочей поверхности отверстия втулки не должно превышать 0,02...0,05 мм.

При обработке по предлагаемому способу обязательно применяют смазочно-охлаждающее технологическое средство (СОТС), предотвращающее схватывание втулки с обрабатываемым металлом. Отсутствие СОТС приводит к браку обрабатываемых заготовок и нередко к разрушению инструмента. Для заготовок из углеродистых и низколегированных сталей рекомендуются: сульфофрезол, МР-1, МР-2, эмульсии. Эти же жидкости следует применять при обработке заготовок из цветных металлов (бронзы, латуни, алюминиевых сплавов). Для деталей из высоколегированных, жаростойких и коррозионно-стойких сталей и сплавов следует применять СОТС: АСМ-1, АСМ-4, АСМ-5, АСМ-6. При обработке заготовок из закаленных сталей используют смазку АСФ-3.

Шероховатость поверхности, обработанной предлагаемым способом, зависит от исходной шероховатости и материала обрабатываемой заготовки, режима обработки, применяемой СОТС. От скорости обработки (в пределах диапазона применяемых скоростей) шероховатость обработанной поверхности не зависит. Для получения малых значений параметров шероховатости предварительную обработку наружной сферической поверхности целесообразно проводить твердосплавным инструментом, например резцом, имеющим малые углы в плане ( =30...40°), на скоростях резания, исключающих образования нароста. При обработке сферы после переходов чернового и чистового точения (исходный параметр Ra=6,3...1,6 мкм) получают поверхности с Ra=0,8...0,1 мкм, если материал заготовок сталь; Ra=0,4...0,1 мкм при обработке заготовок из бронзы и Ra=1,6...0,4 мкм при обработке заготовок из чугуна.

Шероховатость поверхности после пластического деформирования предлагаемым способом будет тем ниже, чем меньше натяг, при котором проводится обработка сферы. Так, при обработке заготовки из стали 45 с исходной шероховатостью Ra=4...8 мкм получили следующую шероховатость при натягах на деформирующем инструменте:

Натяг t, мм	0,05	0,10	0,20	0,30	0,50
Параметр Ra, мкм	0,06	0,07	0,4	1,3	3,0

Упрочнение металла является следствием происходящих деформаций. Упрочнение, выражаемое изменением твердости, снижается при переходе от обработанной поверхности в глубину заготовки сферы. Толщина слоя текстуры, обладающего повышенной твердостью тем больше, чем больше натяг и тем меньше, чем выше исходная твердость обрабатываемого металла. Приращение твердости зависит от обрабатываемого металла и составляет 130...250%.

Скорость вращательного движения заготовки V _з назначают в пределах 2...25 м/мин.

Для достижения точности по 11...13-му квалитетам обработку ведут с большими натягами. Для достижения точности по 8...11-му квалитетам следует применять средние натяги (0,2...0,5 мм). Для получения точности по 5...6-му квалитетам необходима предварительная точная обработка резанием, после чего деформирование проводят с малыми натягами (0,02...0,2 мм). Для последней группы заготовок целесообразна схема: деформирование - резание - тонкое деформирование.

Пример. Обрабатывали ППД заготовку пальца шарового верхнего 2101-2904187, установленную в специальном электромеханическом приспособлении на вертикально-протяжном станке мод. 7Б65, по предлагаемому способу. Заготовка изготовлена из стали 20Х ГОСТ 1050-74. Обрабатывали сферу диаметром 32,7±0,1; исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,63; деформирующим инструментом в виде втулок, изготовленных из твердого сплава ВК8, на следующих режимах: скорость вращения заготовки V_з =5 м/мин (n_з=50 мин^-1 ); скорость продольной подачи деформирующего инструмента S _пр=0,2 м/мин; суммарный натяг на диаметр - 0,2 мм (0,1 мм на сторону); глубина слоя повышенной твердости составляла 0,15...0,20 мм; смазывающе-охлаждающей жидкостью служил сульфофрезол (5%-ная эмульсия).

Требуемая шероховатость и точность сферической поверхности была достигнута с одного прохода за Т _м=0,1 мин (против Т_м ^баз=2,75 мин по базовому варианту при традиционной обработке обкатыванием шариками на Орловском сталепрокатном заводе ОСПАЗ). Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68 и на профилометре мод. 283 тип AII ГОСТ 19300-86. В обработанной партии (равной 100 штук) бракованных деталей не обнаружено. Отклонение обработанной поверхности от сферичности составило не более 0,02 мм, что допустимо ТУ.

Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных сферических поверхностей уменьшился до значения Ra=0,32...0,63 мкм при исходном - Ra=3,2...6,3 мкм, производительность повысилась более чем в пять раз по сравнению с обкатыванием. Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза.

Предлагаемый способ повышает производительность, качество и точность обработки сферической поверхности заготовки, а также расширяет технологические возможности ППД благодаря использованию оригинальной конструкции деформирующего инструмента и позволяет управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом обрабатываемой сферической поверхности.

Источники информации

1. Патент РФ 2031770, МКП⁶ В24В 39/04, 39/00. Способ обработки неполных сферических поверхностей деталей поверхностным деформированием. Гаврилин А.М., Самойлов Н.Н. 5045958/27; 14.04.92; 27.03.95. Бюл. №9.

2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.392, рис.14б.