способ статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей

Формула изобретения

Способ статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей, включающий сообщение вращательного движения деформирующему инструменту, содержащему корпус с деформирующими элементами, и поперечного перемещения заготовке, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде плиты с кулачками и верхнего и нижнего сепараторов, в которых подвижно с возможностью продольного перемещения установлены деформирующие элементы, выполненные в виде двухступенчатых стержней, на которых между упомянутыми сепараторами расположены пружины, обеспечивающие с возможностью регулирования статическую нагрузку, при этом создают импульсную нагрузку воздействием упомянутых кулачков на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения плиты, а величину импульсной нагрузки регулируют посредством вылета кулачков из плиты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлообработке и может быть использовано при упрочняющей обработке плоских поверхностей деталей методом поверхностного пластического деформирования (ППД).

Известен способ упрочнения плоских поверхностей, реализуемый устройством, состоящим из корпуса и эксцентрично установленных в нем головок, на беговых дорожках которых помещены деформирующие элементы, при этом, с целью повышения качества обработки, в корпусе выполнены криволинейные пазы, предназначенные для установки в них с возможностью перемещения и фиксации упомянутых головок, оси которых расположены на различных расстояниях от оси корпуса [1].

Недостатком известного способа является невозможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что снижает качество обработки, при этом способ отличается низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, кроме того, способ отличается 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 за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования устройства, вырабатывающего импульсную нагрузку, и инструмента специальной формы, а также повышение качества обработки.

Поставленная задача решается предлагаемым способом статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей, при котором деформирующему инструменту, содержащему корпус с деформирующими элементами, сообщают вращательное движение, а заготовке - поперечное перемещение, причем корпус выполнен из плиты с кулачками, верхнего и нижнего сепараторов, в последних подвижно с возможностью продольного перемещения установлены деформирующие элементы, изготовленные в виде двухступенчатых стержней, на которых между упомянутыми сепараторами расположены пружины, обеспечивающие с возможностью регулирования статическую нагрузку, при этом импульсная нагрузка осуществляется за счет воздействия упомянутых кулачков на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения плиты, а величина импульсной нагрузки регулируется вылетом упомянутых кулачков из плиты.

Особенности обработки по предлагаемому способу поясняются чертежами.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ, продольный разрез, и схема упрочнения плоской поверхности заготовки; на фиг.2 - общий вид устройства; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - схема работы в режиме статического упрочнения, на деформирующий элемент не действует импульсная нагрузка; на фиг.5 - схема работы в момент начала касания кулачком деформирующего элемента; на фиг.6 - схема работы в режиме статико-импульсного упрочнения, в момент действия поперечной силы, вращающей сепараторы с деформирующими элементами относительно продольной оси; на фиг.7 - схема работы в режиме статико-импульсного упрочнения в момент действия максимальной импульсной Р_им нагрузки.

Предлагаемый способ предназначен для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей деталей машин поверхностным пластическим деформированием. Способ реализуется устройством, установленным, например, в шпинделе вертикально-фрезерного станка (не показан), которому сообщается вращательное движение V_И относительно собственной продольной оси и натяг путем продольного ручного перемещения S_пр, а заготовке - поперечная подача S.

Устройство имеет сборный корпус, состоящий из плиты 1, верхнего 2 и нижнего 3 сепараторов, и деформирующие элементы 4 (согласно фиг.1-2).

В верхнем 2 и нижнем 3 сепараторах, выполненных в виде дисков, по скользящей посадке в периферийных отверстиях установлены деформирующие элементы 4, которые изготовлены в виде двухступенчатых стержней, причем ступенью меньшего диаметра стержни установлены в верхнем сепараторе 2. Между сепараторами 2 и 3 на деформирующих элементах 4 установлены винтовые цилиндрические пружины сжатия 5, создающие статическую нагрузку Р_ст упрочняющего воздействия деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность. Верхним торцом пружины 5 упираются в торец верхнего сепаратора 2, а нижним - в торец ступени большего диаметра деформирующих элементов 4. Сближением или удалением сепараторов друг от друга обеспечивается регулирование усилия статической нагрузки Р _ст, которое производится с помощью винтов 6 и сменных распорных втулок 7.

Верхний и нижний сепараторы 2 и 3 через свои центральные отверстия, в которых запрессованы втулки 8, играющие роль подшипников скольжения, с помощью оси 9 подвижно с возможностью вращения относительно центральной продольной оси соединены с плитой 1 устройства. Ось 9 жестко закреплена на центральной продольной оси в плите 1, а имеющаяся на оси 9 ступень 10 большего диметра служит упором, передающим продольное ручное перемещение S_пр от хвостовика 11 и плиты 1 сепараторами 2 и 3.

В плите 1 расположены кулачки 12, в данной конструкции устройства они представлены в форме шариков. Плита 1 имеет цилиндрические глухие отверстия, в каждом из которых последовательно установлена пружина 13, шайба 14 и кулачок 12, которые удерживаются с помощью крышки 15 с отверстиями, жестко прикрепленной винтами 16 к плите 1. Пружина 13 с одной стороны упирается в дно отверстия плиты 1, а с другой через шайбу 14 в кулачок 12, который выступает из отверстия крышки 15 на величину h. К плите 1 сверху болтами 17 крепится конус 11, с помощью которого она монтируется в шпинделе станка.

Для того чтобы компенсировать погрешность установки устройства относительно поверхности заготовки, между конусом 11 и плитой 1 установлен центрирующий шар 18, а болты 17 контактируют с поверхностью фланца конуса 11 через резиновые втулки 19.

Работа по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Заготовка 20 крепится на столе станка, например, в тисках (не показаны). Устройство конусом 11 вставляется в шпиндель станка (не показан). Движением S_пр шпинделя станка вниз конус 11, плита 1 выступом 10 оси 9 давят на верхний сепаратор 2, который через пружины 5 статически поджимает с необходимой силой Р_ст деформирующие элементы 4 к упрочняемой поверхности.

В результате этого действия осуществляется пластическое деформирование поверхности заготовки на величину _ст. При этом зазор между свободным торцем деформирующего элемента и поверхностью кулачка должен оставаться не более h. Величина зазора может быть обеспечена щупом, толщина которого не более h и который устанавливается между торцем деформирующего элемента 4 и кулачком при поджатии устройства к упрочняемой поверхности и затем вынимается перед включением вращения шпинделя станка.

После статического поджатая устройства к упрочняемой поверхности положение шпинделя фиксируется и включается подача S стола с заготовкой, в результате чего заготовка начинает перемещаться в поперечном направлении относительно деформирующих элементов 4. Включается вращение V_и шпинделя, который вращает плиту 1, при этом кулачки будут ударять по свободным торцам деформирующих элементов 4 и развивать силу Р (фиг.5-6), одновременно сдвигая их по направлению вращения шпинделя с силой Р_дв на некоторое расстояние L и вдавливая в упрочняемую поверхность с силой Р_им на величину а_им. Величина и направление силы Р зависят от формы кулачков, величины выступа их из плиты h, от жесткости кулачковых пружин 13, а частота импульсов - от скорости вращения V_и.

Кулачковые пружины 13 в отверстиях плиты выполняют функцию демпфирующих элементов, снижающих вибрационные нагрузки на всю конструкцию устройства и на станок.

На кинетическую энергию удара будет оказывать влияние угловая скорость движения деформирующих элементов 4 и сила их статического поджатая к упрочняемой поверхности. Количество переданной энергии удара в упрочняемую поверхность будет определяться формой ударных импульсов.

Устройство позволяет производить нагружение упрочняемой поверхности ударными импульсами различной формы.

Длительность ударных импульсов регулируется размерами поперечного сечения деформирующих элементов.

В отличие от известных схем упрочнения, когда удар осуществляется непосредственно деформирующим элементом и форма импульса регулируется только за счет изменения диаметра и длины деформирующих элементов, в данном устройстве форма импульса может изменяться за счет формы и размеров кулачков, что расширяет технологические возможности и упрощает конструкцию.

В отличие от известных устройств появляется возможность использования для нагружения деформирующих элементов не только цилиндрической, но и другой формы, например конической, гиперболической, торообразной и т.д., при этом кулачки могут быть в виде цилиндра с плоским торцом и с различными значениями угла наклона торца относительно продольной оси цилиндра; скругленным торцом с различным радиусом, вогнутым или выпуклым; фасонным (горообразным, гиперболическим и т.д.).

Пример. Производили экспериментальную обработку - упрочнение предлагаемым способом плоской поверхности шириной 80 мм и длиной 590 мм на вертикально-фрезерном станке мод. 6Р13; упрочняли за один проход. Параметр шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки Ra=3,2 мкм. Параметр шероховатости обработанной поверхности готовой детали Ra=0,32 мкм. Материал заготовки - сталь 45, с пределом прочности _в=670 МПа. Станок оснащен устройством для активного контроля обрабатываемых заготовок. Обработку производили устройством, у которого плита имела наружный диаметр 130 мм, упрочняющие, деформирующие элементы располагались на диаметре 100 мм, диаметр деформирующих элементов - 15 мм, их количество - 8 шт. Обработка проводилась при следующих режимах. Частоту вращения плиты с кулачками принимали 50 мин^-1, при этом скорость упрочнения составила V_и=15,7 м/мин, подача стола с заготовкой - S=250 мм/мин. Охлаждающая жидкость - эмульсия. Деформирующие элементы были изготовлены из сплава марки 38ХМЮА и после азотирования имели твердость 60 64 HRC. Затем их рабочая поверхность была отполирована до Ra=0,04 0,08 мкм. При осевой импульсной нагрузке 400-600 Н упрочнение поверхностного слоя доходило до 15 25%. Для обеспечения необходимого качества и размерной точности обработки потребовалось основного времени 2,4 мин, что в 2,5 раза быстрее, чем при обычном упрочнении. 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 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.

Значения технологических факторов (частота ударов, величина амплитуды, 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.

Упрочненный слой при традиционном статическом накатывании 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 способом 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 Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 5 раз.

Микровибрации в процессе 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.

Достоинствами предлагаемого способа является возможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что повышает качество обработки; устройство, реализующее способ, отличается компактностью и высоким КПД, малой энергоемкостью (по сравнению с известными [2, 3]), достаточно большой глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности; способ отличается широкими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования устройства, вырабатывающее импульсную нагрузку, и инструмента специальной формы, а также повышает качества обработки.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 944897, В24В 39/00. Устройство для упрочнения плоских поверхностей. Вишнев Н.В. и др. Заявка № 2977796/25-08; 03.09.1980; 23.07.1982. Бюл. № 27 - прототип.

2. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, № 6. - С.20-24.

3. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. № 34.