способ виброобкатывания
Классы МПК: | B24B39/04 для обработки наружных поверхностей вращения |
Автор(ы): | Степанов Юрий Сергеевич (RU), Киричек Андрей Викторович (RU), Мальцев Анатолий Юрьевич (RU), Самойлов Николай Николаевич (RU), Афанасьев Борис Иванович (RU), Фомин Дмитрий Сергеевич (RU), Тарасов Дмитрий Евгеньевич (RU), Бурцев Василий Сергеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-08-03 публикация патента:
20.06.2011 |
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам импульсно-ударного поверхностного пластического деформирования. Сообщают заготовке и многоэлементному обкатному деформирующему инструменту вращательные движения вокруг собственных осей. Сообщают продольную подачу многоэлементному обкатному деформирующему инструменту. Используют многоэлементный обкатной деформирующий инструмент, содержащий корпус в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала со шлицевыми пазами на поверхности его отверстия. На торце корпуса жестко закреплен копир в виде диска с центральным отверстием. В отверстии ротора установлены V-образно изогнутые плоские пластинчатые пружины. Один конец плоских пластинчатых пружин жестко закреплен на торце ротора, а другой их конец расположен в центральном отверстии копира и на него воздействуют выполненные на поверхности упомянутого отверстия копира выступы и впадины. В средней части плоских пластинчатых пружин закреплены деформирующие элементы, охватывающие заготовку. В результате расширяются технологические возможности, увеличивается производительность и улучшается качество обработанной поверхности. 5 ил.
Формула изобретения
Способ импульсно-ударного упрочнения поверхностным пластическим деформированием деталей в виде валов со сложнопрофильными поверхностями, включающий сообщение заготовке и многоэлементному обкатному деформирующему инструменту вращательных движений вокруг собственных осей и продольной подачи многоэлементному обкатному деформирующему инструменту, отличающийся тем, что используют многоэлементный обкатной деформирующий инструмент, содержащий корпус с центральным отверстием, выполненный в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала со шлицевыми пазами на поверхности его отверстия, копир в виде диска с центральным отверстием, жестко закрепленный на торце корпуса, и V-образно изогнутые плоские пластинчатые пружины, изготовленные из стальной ленты, установленные в отверстии ротора, один конец которых жестко закреплен на торце ротора, другой их конец расположен в центральном отверстии копира и на него воздействуют выполненные на поверхности упомянутого отверстия копира выступы и впадины, а в их средней части закреплены деформирующие элементы, при этом деформирующие элементы охватывают заготовку, а внутренний диаметр, проходящий по их вершинам при нахождении пластинчатых пружин в свободном состоянии, меньше диаметра заготовки вала на величину натяга, создаваемого с помощью пластинчатых пружин и обеспечивающего усилие поверхностного пластического деформирования.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам импульсно-ударного поверхностного пластического деформирования (ППД), и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрических полых изделий, винтовых и сложнопрофильных поверхностей, например винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей.
Известен способ, реализуемый трехроликовым приспособлением, закрепленным на суппорте токарного станка, состоящим из корпуса и шарнирно соединенной с ним державки с тремя деформирующими элементами - роликами, позволяющим разгрузить узлы станка от односторонне приложенного усилия и обработки нежестких деталей типа валов [1]. Шарнирное соединение державки с корпусом позволяет повысить точность обработки валов и исключить влияние биения поверхности валов, приобретенное на предыдущих операциях.
Недостатками известного способа являются узкие технологические возможности, при которых чистовая обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД) винтовых и других сложнопрофильных наружных поверхностей после соответствующей модернизации является весьма сложной, а в ряде случаев невозможной, при этом невысокая производительность и сложная длительная настройка повышают себестоимость обработки,
Известны способ и устройство, содержащее корпус с индивидуальным высокоскоростным приводом, охватывающее заготовку кольцо с деформирующими элементами, расположенными на беговой дорожке на внутренней поверхности, причем корпус - кольцо установлен в кривошипе, также имеющем индивидуальный привод, благодаря которому сообщают дополнительное планетарное вращение относительно оси, проходящей через центр заготовки, параллельной и смещенной относительно оси корпуса - кольца на величину эксцентриситета [2, 3].
Недостатками известного способа являются узкие технологические возможности, при которых чистовая обработка поверхностным пластическим деформированием винтовых наружных поверхностей после соответствующей модернизации является весьма сложной, а ряде случаев невозможной. Кроме того, конструктивно сложный привод, состоящий из двух индивидуальный приводов, повышает себестоимость обработки, снижает производительность, ухудшает качество обрабатывающей поверхности, требует сложной и длительной настройки.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей способов ППД сложнопрофильных поверхностей путем использования охватывающего инструмента с деформирующими элементами, закрепленными на плоских пластинчатых пружинах и находящимися на внутренней поверхности ротора электродвигателя, и позволяющего улучшить качество обрабатываемой поверхности, повысить производительность и снизить себестоимость обработки.
Поставленная задача решается предлагаемым способом импульсно-ударного упрочнения поверхностным пластическим деформированием деталей в виде валов со сложнопрофильными поверхностями, который включает сообщение заготовке и многоэлементному обкатному деформирующему инструменту вращательных движений вокруг собственных осей и продольной подачи многоэлементному обкатному деформирующему инструменту, при этом используют многоэлементный обкатной деформирующий инструмент, содержащий корпус с центральным отверстием, выполненный в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала со шлицевыми пазами на поверхности его отверстия, копир в виде диска с центральным отверстием, жестко закрепленный на торце корпуса, и V-образно изогнутые плоские пластинчатые пружины, изготовленные из стальной ленты, установленные в отверстии ротора, один конец которых жестко закреплен на торце ротора, другой их конец расположен в центральном отверстии копира и на него воздействуют выполненные на поверхности упомянутого отверстия копира выступы и впадины, а в их средней части закреплены деформирующие элементы, при этом деформирующие элементы охватывают заготовку, а внутренний диаметр, проходящий по вершинам при нахождении пластинчатых пружин в свободном состоянии, меньше диаметра заготовки вала на величину натяга, создаваемого с помощью пластинчатых пружин и обеспечивающего усилие поверхностного пластического деформирования.
Особенности способа поясняются чертежами.
На фиг.1 показана схема реализации способа с помощью устройства для обкатывания и упрочнения винтовой поверхности, частичный продольный разрез; на фиг.2 - вид с торца по А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - вид с торца по В на фиг.1, плоские пружины с деформирующими элементами в положении обкатывания; на фиг.5 - вид с торца по В на фиг.1, плоские пружины с деформирующими элементами в положении удара.
Предлагаемый способ и реализующее его устройство предназначены для пластического деформирования винтовых, цилиндрических и других сложнопрофильных поверхностей (например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, цилиндрических полых изделий, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей), работа по которому заключается в том, что обрабатываемой заготовке и деформирующему инструменту сообщают вращательные движения V з и Vи соответственно, при этом устройству с деформирующим инструментом сообщают движение продольной подачи Sпр. Устройство имеет деформирующие элементы, которые наносят по поверхности заготовки многочисленные удары, пластически деформируя и упрочняя наружную поверхность заготовки.
Для поверхностного импульсно-ударного деформирования обрабатываемой поверхности заготовки, например винта винтового насоса 1 (см. фиг.1), предварительно обработанной, например, точением, ее закрепляют в приспособлении, например, в трехкулачковом самоцентрирующем патроне с поджатием центром задней бабки (не показаны), и сообщают вращательное движение Vз вокруг собственной центральной оси, а импульсно-ударному деформирующему инструменту 2 устройства - вращательное движение Vи и продольную подачу S пр.
Устройство состоит из корпуса 3, выполненного в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, взятого, например, по ГОСТ 19523-74, с полюсами 4 и выполненного из серого чугуна. Внутри корпуса-статора 3 на подшипниках качения 5 смонтирован ротор 6 в виде полого стального вала.
В шлицевом отверстии ротора 6 установлены V-образно изогнутые плоские пластинчатые пружины 7, изготовленные из стальной холоднокатаной термообработанной ленты, взятой, например, по ГОСТ 21996-76. В средней части пластинчатых пружин 7 закреплены деформирующие элементы 8, например шарики, ролики и др.
Пластинчатые пружины 7 располагаются в шлицевых пазах 9 отверстия ротора и одним концом жестко закреплены на одном торце ротора 6 болтами 10. Шлицевые пазы в отверстии ротора предназначены для передачи вращающего момента ротора деформирующим элементам и предотвращения продольного закручивания плоских пружин, поэтому последние плотно посажены в шлицевых пазах.
Другой конец пластинчатых пружин 7 свободен, находится в шлицевых пазах отверстия ротора, выходит за его габариты и располагается в центральном отверстии копира 11, выполненного в виде диска и жестко закрепленого на торце корпуса 3. Центральное отверстие копира 11 выполнено в виде выступов 12 и впадин 13. Таким образом, что на свободный конец плоской пружины 7 при вращении ротора 6 воздействуют выступы 12 и впадины 13 копира 11, превращая свободное обкатывание в импульсно-ударное поверхностное пластическое деформирование (ППД) с упрочняющим эффектом.
Количество деформирующих элементов 8 выбирают по конструктивным соображениям и с учетом того, чтобы они охватывали заготовку 1.
Внутренний диаметр «d» по вершинам деформирующих элементов 8, закрепленных на пластинчатых пружинах 7, находящихся в свободном состоянии без заготовки, меньше обрабатываемого диаметра D 1 заготовки на величину натяга, от которого зависит усилие обкатывания, когда конец пластинчатой пружины находится во впадине копира. Усилие Р импульсно-ударного воздействия деформирующих элементов 8 на обрабатываемую поверхность заготовки 1 задается перепадом «К» выступа 12 над впадиной 13 и жесткостью пружин (см. фиг.5).
Предлагаемый способ, реализуемый данным устройством, и крепление деформирующего инструмента 2 в отверстии вала ротора 6 электродвигателя, установленного, например, на поперечном суппорте токарного станка (не показан), позволяет совершать колебательные движения деформирующих элементов 8, закрепленных на пластинчатых пружинах 7, реализуя импульсно-ударную пластическую деформацию поверхностного слоя заготовки.
Кинематическая передача вращательного движения Vи валу ротора 6 с деформирующими элементами 8 осуществляется с помощью электрических сил наводимых в корпусе - статоре электродвигателя и является минимальной по протяженности и сложности и исключает использование промежуточных ременных, зубчатых и других передач и редукторов, поэтому предлагаемый способ и устройство имеют высокий КПД.
С целью создания усилия Р для импульсно-ударного поверхностного пластического деформирования установлен копир, оказывающий давление на пластинчатые пружины и соответственно на деформирующие элементы 8 в поперечном направлении. Подвижное крепление деформирующих элементов 8 на пластинчатых пружинах 7 осуществляется известными способами.
Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности, полученные предлагаемым способом с помощью рассмотренного устройства, зависят от силы удара и числа ударов, приходящихся на 1 мм 2 поверхности. Эти параметры, в свою очередь, зависят от окружной скорости вала ротора с деформирующими элементами 8, натяга, размера деформирующих элементов, их числа, частоты вращения заготовки, величины продольной подачи инструмента и числа проходов.
Режимы импульсно-ударного деформирования предлагаемым способом с помощью устройства, оснащенного, например, шариками диаметром 5 10 мм и стальных заготовок, следующие: окружная скорость вала ротора - Vи 0,05 1,5 м/с, окружная скорость заготовки - Vз 20 40 м/с, число проходов - 2 3, натяг - 1,1 2,5 мм.
В результате импульсно-ударной пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя предлагаемым способом параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,08 0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8 3,2 мкм. Твердость обработанной поверхности увеличивается на 25 75% при глубине наклепанного слоя 0,25 2,5 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 350 750 МПа.
Предварительная обработка заготовки: шлифование до значения параметра шероховатости Ra=0,4 1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью Ra=3,2 мкм.
Способ и устройство для импульсно-ударного деформирования позволяет создать на обрабатываемой сложнопрофильной поверхности регулярный микрорельеф, способный удерживать смазывающие материалы и продлевать ресурс работы деталей при эксплуатации.
Способ и устройство для импульсно-ударного деформирования применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58 64.
При промышленных испытаниях способа разработанное устройство установили в патроне с электромеханическим приводом на токарном станке мод. 16К20Ф3 и обрабатывали заготовку винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса марки 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 - 1,65 мм, шаг - 28±0,01 мм, шероховатость Ra=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 40Х, твердость НВ 270-280, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась с использованием разработанного устройства, на базе электродвигателя IM5010, имеющего частоту вращения вала - ротора n=750 мин -1; наружный диаметр вала ротора - 157,3 мм; диаметр отверстия, расточенного под инструмент и заготовку с 54 мм до 115 мм; длина корпуса - статора - 253 мм; наружный диаметр корпуса - статора - 261 мм.
Импульсно-ударное ППД вели на следующих режимах: окружная скорость инструмента - Vи 1,2 м/с; окружная скорость заготовки - Vз 15 м/с, число проходов - 3, натяг - 1,2 мм, продольная Sпр подача 1,5 2,0 мм/об, усилие упрочнения - 170 175 Н; диаметр винта изменился после обработки на 0,03 мм (0,015 мм на сторону); глубина упрочненного наклепанного слоя находилась в пределах 0,15 0,20 мм; повышение твердости на 25 30%; при обработке деформирующие элементы смазывали смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность заготовки - керосином. 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.
Исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,32 мкм; деформирующий инструмент - шарики диаметром 7 мм из стали ШХ 15, твердостью HRC 63 65.
Глубина упрочненного импульсно-ударной 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 импульсно-ударного воздействия на очаг деформации импульса энергии.
Требуемая шероховатость и точность винтовой поверхности была достигнута через Тм=3,45 мин (против Тм баз=10,6 мин по базовому варианту при традиционном обкатывании винтов на токарном станке 1К62 на ОАО "Ливгидромаш").
Для обеспечения необходимого качества и размерной точности обработки потребовалось основного времени в 3 раза меньше, чем при обкатывании традиционным обкатником. При этом глубина и микротвердость упрочненного слоя (белой зоны) составляла соответственно 0,20 0,25 мм и 8 9 ГПа с постепенным понижением микротвердости по глубине до исходного состояния - 2,0 2,5 ГПа.
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.
Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя импульсно-ударной 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.
Импульсно-ударное деформирование в процессе благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Оно приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, облегчает формирование упрочняемой поверхности.
Импульсно-ударное деформирование способствует лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении импульсной нагрузки деформирующие элементы и деформирующая поверхность периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях импульсно-ударного деформирования резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта деформирующих элементов и заготовки.
Предлагаемый способ расширяет технологические возможности импульсно-ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности. При этом конструктивно простой привод снижает себестоимость обработки, увеличивает производительность, улучшает качество обрабатываемой поверхности, не требует сложной и длительной настройки.
Подвижное соединение и установка деформирующих элементов на пластинчатых пружинах как люнет центрирует заготовку, позволяет повысить точность обработки нежестких заготовок и исключить влияние биения поверхности заготовок, приобретенное на предыдущих операциях.
Источники информации
1. 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, 1985. С.386-388, рис.7 - прототип.
2. Патент РФ 2276005, МПК B24B 39/04. Способ обкатки неполных сферических поверхностей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Гаврилин A.M., Афанасьев Б.И., Катунин А.А., Фомин Д.С. 2004129399/02; 05.10.2004; 10.05.2006. Бюл. № 13.
3. Патент РФ 2276006, МПК B24B 39/04. Устройство для импульсно-ударного деформирования сферических поверхностей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н. Н., Афанасьев Б.И., Катунин А.А., Катунин А.В. Фомин Д.С. 2004136428/02; 14.12.2004; 10.05.2006. Бюл. № 13.
Класс B24B39/04 для обработки наружных поверхностей вращения