способ статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей с использованием роторного генератора механических импульсов
Классы МПК: | B24B39/00 Станки или устройства, в том числе вспомогательные, для обкатки с целью уплотнения поверхностного слоя |
Автор(ы): | Степанов Юрий Сергеевич (RU), Киричек Андрей Викторович (RU), Соловьев Дмитрий Львович (RU), Захаров Александр Александрович (RU), Баринов Сергей Владимирович (RU), Афанасьев Борис Иванович (RU), Тиняков Алексей Иванович (RU), Фомин Дмитрий Сергеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2008-07-16 публикация патента:
10.09.2009 |
Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к вибрационной отделочно-упрочняющей обработке. Сообщают вращательное движение деформирующему инструменту. Сообщают поперечное перемещение заготовке. Используют деформирующий инструмент, содержащий центральный вал и корпус, выполненный в виде диска с центральным отверстием и полым валом, передающим вращение от индивидуального привода, и с периферийными отверстиями для установки подпружиненных кулачков с возможностью регулирования их вылета в продольном направлении. На центральном валу, коаксиально расположенном в полом валу и имеющем свой индивидуальный привод, закреплен сепаратор. Сепаратор выполнен с периферийными отверстиями, в которых соосно кулачкам установлены деформирующие элементы. Деформирующие элементы выполнены в виде ступенчатых стержней и имеют тарельчатые пружины для обеспечения статической нагрузки. При этом осуществляют импульсную нагрузку воздействием кулачков на деформирующие элементы с частотой импульсов в зависимости от скорости принудительного вращения корпуса и скорости вращения сепаратора. Величину импульсной нагрузки регулируют вылетом кулачков из корпуса и степенью сжатия пружин кулачков. В результате расширяются технологические возможности и повышается качество обработки. 9 ил.
Формула изобретения
Способ статико-импульсного вибрационного упрочнения плоских поверхностей, осуществляемый с помощью генератора механических импульсов, включающий сообщение вращательного движения деформирующему инструменту, содержащему корпус и сепаратор с деформирующими элементами, и поперечного перемещения заготовке, отличающийся тем, что в используемом деформирующем инструменте корпус выполнен в виде диска с центральным отверстием и полым валом, передающим вращение от индивидуального привода, и с периферийными отверстиями для установки подпружиненных кулачков с возможностью регулирования их вылета в продольном направлении, а сепаратор закреплен на центральном валу, коаксиально расположенном в полом валу и имеющем свой индивидуальный привод, причем сепаратор выполнен с периферийными отверстиями, в которых соосно кулачкам установлены упомянутые деформирующие элементы, выполненные в виде ступенчатых стержней и имеющие тарельчатые пружины для обеспечения статической нагрузки, при этом осуществляют импульсную нагрузку воздействием кулачков на деформирующие элементы с частотой импульсов в зависимости от скорости принудительного вращения корпуса и скорости вращения сепаратора, а величину импульсной нагрузки регулируют вылетом кулачков из корпуса и степенью сжатия пружин кулачков.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к вибрационным устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) со статико-импульсным нагруженном деформирующих элементов.
Известен способ и реализующее его устройство для упрочняющей обработки, состоящее из вибратора возвратно-продольных колебаний деформирующего элемента и кулачка, приводимого во вращение от электродвигателя через бесступенчатый редуктор и предназначенного для возбуждения поперечных колебательных движений этого деформирующего элемента [1].
Способ и устройство отличаются ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.
Известен способ и реализующее его устройство для ударного вибронакатывания, содержащее корпус, сепаратор с деформирующим элементом, опору в виде гладкого ролика, установленную в корпусе с возможностью вращения, при этом оно снабжено приводом опоры и упругим элементом, один конец которого закреплен на корпусе, а другой на сепараторе [2].
Способ и устройство отличаются ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.
Известен способ, осуществляемый с помощью генератора механических импульсов (ГМИ), для вибрационного статико-импульсного упрочнения, отличающийся независимым регулированием энергии и частоты ударов [3, 4]. В конструкцию ГМИ входят: волновод с закрепленным на нем деформирующим элементом и боек, которые расположены в корпусе, гидроцилиндр статического воздействия на корпус, гидродвигатель, вращающий золотник кранового распределителя, редукционный клапан и дроссель.
Известный способ, осуществляемый с помощью ГМИ, представляет собой весьма сложную, дорогостоящую, металлоемкую и энергоемкую конструкцию, которая значительно увеличивает себестоимость изготовления обрабатываемых деталей.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности при минимальной энергоемкости и трудоемкости изготовления оснастки путем использования роторного генератора механических импульсов (РГМИ), имеющего кулачки и набегающие на них деформирующие элементы.
Поставленная задача решается предлагаемым способом статико-импульсного вибрационного упрочнения плоских поверхностей, осуществляемым с помощью генератора механических импульсов, при котором деформирующему инструменту, содержащему корпус и сепаратор с деформирующими элементами, сообщают вращательное движение, а заготовке поперечное перемещение, причем корпус выполнен в виде диска с центральным отверстием и полым валом, передающим вращение от индивидуального привода, при этом в периферийных отверстиях корпуса установлены подпружиненные кулачки с возможностью регулирования их вылета в продольном направлении, а сепаратор закреплен на центральном валу, который коаксиально расположен в полому валу, и имеет свой индивидуальный привод, при этом в периферийных отверстиях сепаратора соосно кулачкам установлены деформирующие элементы, выполненные в виде ступенчатых стержней, имеющие тарельчатые пружины для обеспечения статической нагрузки, кроме того, импульсная нагрузка осуществляется за счет воздействия упомянутых кулачков на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения корпуса и скорости вращения сепаратора, а величина импульсной нагрузки регулируется вылетом упомянутых кулачков из корпуса и степенью сжатия кулачковых пружин.
Особенности работы по предлагаемому способу поясняются чертежами.
На фиг.1 изображена схема упрочнения плоской поверхности заготовки предлагаемым способом с использованием разработанного РГМИ, продольный разрез; на фиг.2 - общий вид РГМИ; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - элемент Б на фиг.1, зона контакта кулачка с деформирующим элементом, форма рабочей поверхности кулачка, плоская с углом наклона а; на фиг.5 - элемент Б на фиг.1, зона контакта кулачка с деформирующим элементом, форма рабочей поверхности кулачка, скругленная радиусом R, выпуклая; на фиг.6 - элемент Б на фиг.1, зона контакта кулачка с деформирующим элементом, форма рабочей поверхности кулачка, скругленная радиусом R, вогнутая; на фиг.7, 8, 9 - тарельчатые пружины различной жесткости, обеспечивающие статическую нагрузку на деформирующие элементы и поджим кулачков, варианты конструкций, продольный разрез и вид с торца.
Предлагаемый способ, реализуемый с помощью роторного генератора механических импульсов (РГМИ), предназначен для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей деталей машин поверхностным пластическим деформированием. РГМИ устанавливается, например, на шпиндельной бабке вертикально-фрезерного станка (не показан), корпусу 1 сообщается вращательное движение VИК относительно собственной продольной оси, сепаратору 2 сообщается встречное вращательное движение VИД и натяг путем продольного ручного перемещения по направлению SПР, а заготовке 3, закрепленной на столе, - поперечная подача S.
Разработанная конструкция РГМИ имеет корпус 1, выполненный в виде диска с центральным отверстием и полым валом 4, передающим вращение VИК от индивидуального привода (не показан). В периферийных отверстиях 5 корпуса 1 установлены подпружиненные пружинами 6 кулачки 7 с возможностью регулирования их вылета h в продольном направлении. Набором тарельчатых пружин 6, имеющих различную жесткость, благодаря радиальным пазам (см. фиг.7-9), можно устанавливать необходимую нагрузку на кулачки 7. Регулирование усилия, оказываемое пружинами 6 на кулачки 7, осуществляется винтами 8. На фиг.1-2 показаны винты 8 с шестигранным углублением под ключ по ГОСТ 11738-72. Вылет кулачков 7 ограничивает крышка 9, закрепленная на торце корпуса 1 винтами 10.
Сепаратор 2 жестко закреплен на центральном валу 11 с помощью шпонки и гайки 12. Центральный вал 11 коаксиально расположен в полом валу 4 и имеет свой индивидуальный привод (не показан), позволяющий развивать скорость вращения VИД как в попутном, так и встречном направлении относительно вращения полого вала 4. Центральный вал 11 имеет опору, состоящую из подшипников качения 13 и распорной втулки 14.
В периферийных ступенчатых отверстиях 15 сепаратора 2 соосно кулачкам 7 установлены деформирующие элементы 16, выполненные в виде ступенчатых стержней. Деформирующие элементы 16 одним торцом контактируют с кулачками 7, а другим - с обрабатывающей поверхностью 17 заготовки 3. Для обеспечения статической нагрузки Рст, оказываемой деформирующими элементами на обрабатываемую поверхность, на малой ступени деформирующих элементов 16 установлен пакет тарельчатых пружин 18. На торцах сепаратора 2 установлены крышки 19 и 20, которые предохраняют от выпадания деформирующих элементов 16 и позволяют регулировать Рст. Набором тарельчатых пружин 18, имеющих различную жесткость, благодаря радиальным пазам (см. фиг.7-9), можно устанавливать необходимую статическую нагрузку Рст.
Импульсная нагрузка Р ИМ осуществляется за счет воздействия кулачков 7 на деформирующие элементы 16 с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения корпуса VИК и скорости вращения сепаратора VИД, а величина импульсной нагрузки РИМ обеспечивается и регулируется вылетом кулачков 7 из корпуса 1 и степенью сжатия кулачковых пружин 6.
Обработка по предлагаемому способу с использованием РГМИ заключается в следующем. Заготовка 3 крепится на столе станка, например, в тисках (не показаны). РГМИ устанавливается на шпиндельной бабке станка (не показан). Движением SПР шпиндельной бабки станка вниз центральный вал 11, сепаратор 2, через крышку 19, пружины 18 статически поджимают с необходимой силой Рст деформирующие элементы 16 к упрочняемой поверхности.
В результате этого действия осуществляется пластическое деформирование поверхности заготовки на величину ст. При этом зазор между свободным торцом 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 торцом деформирующего элемента 16 и крышкой 9 при поджатии РГМИ к упрочняемой поверхности и затем вынимается перед включением вращения валов.
После статического поджатия РГМИ к упрочняемой поверхности положение РГМИ фиксируется и включается подача S стола с заготовкой, в результате чего заготовка начинает перемещаться в поперечном направлении относительно деформирующих элементов 16. Включается вращение VИК полого вала 4, который вращает корпус 1, при этом кулачки будут ударять по свободным торцам деформирующих элементов 16 с силой РИМ, вдавливая их в упрочняемую поверхность на величину им. Величина и направление силы РИМ зависит от формы кулачков, величины выступа их из корпуса h, от жесткости кулачковых пружин 6, а частота импульсов - от скоростей вращения Vик и Vид.
Кулачковые пружины 6 в отверстиях корпуса выполняют функцию демпфирующих элементов, снижающих вибрационные нагрузки на всю конструкцию РГМИ и на станок.
На кинетическую энергию удара будет оказывать влияние угловая скорость движения деформирующих элементов 16 и сила их статического поджатия к упрочняемой поверхности. Количество переданной энергии удара в упрочняемую поверхность будет определяться формой ударных импульсов.
Способ с использованием РГМИ 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, предлагаемый способ позволяет изменять форму импульса за счет формы и размеров кулачков, что расширяет технологические возможности и упрощает конструкцию.
В отличие от известных способов и устройств появляется возможность использования для нагружения деформирующих элементов не только цилиндрической, но и другой формы, например конической, гиперболической, горообразной и т.д., при этом кулачки могут быть в виде цилиндра или призмы с плоским торцом и с различными значениями угла наклона а торца относительно продольной оси цилиндра (см. фиг.4); скругленным торцом с различным радиусом R, вогнутым (см. фиг.6) или выпуклым (см. фиг.5); фасонным (горообразным, гиперболическим и т.д.).
Пример. Производили экспериментальную обработку - упрочнение предлагаемым способом с использованием РГМИ 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 РГМИ, у которого корпус имел 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 корпуса с кулачками и сепаратора принимали разнонаправленную и равную 50 мин-1, при этом скорость упрочнения составила 31,4 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 2,8 мин, что в 2,4 раза быстрее, чем при обычном упрочнении.
Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым способом с использованием РГМИ, 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 с использованием РГМИ 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.
Достоинством предлагаемого способа является возможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что повышает качество обработки; РГМИ, с помощью которого реализуется способ, отличается компактностью и высоким КПД, малой энергоемкостью (по сравнению с известными [2-4]), 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 РГМИ, вырабатывающего импульсную нагрузку, и инструмента специальной формы, а также повышает качество обработки.
Источники информации
1. А.с. СССР 366062, МПК В24В 39/00. Способ упрочнения поверхности металлических деталей. Г.М.Азаревич. 1616331/25-8. 07.12.1970; 10.01.1973.
2. А.с. СССР 1238952, МПК В24В 39/00. Устройство для ударного вибронакатывания. Ю.Г.Шнейдер, Б.Н.Букин, Г.Р.Круглов. 3818752/25-27. 04.12.1984; 23.06.1986 - прототип.
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.
Класс B24B39/00 Станки или устройства, в том числе вспомогательные, для обкатки с целью уплотнения поверхностного слоя