способ статико-импульсного упрочнения

Формула изобретения

Способ статико-импульсного упрочнения пружинным деформирующим инструментом наружных поверхностей винтов и цилиндрических валов, включающий сообщение заготовке и многоэлементному деформирующему инструменту вращательных движений вокруг собственных осей и продольной подачи многоэлементному деформирующему инструменту, отличающийся тем, что используют многоэлементный деформирующий инструмент, содержащий деформирующие элементы, выполненные в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной и охватывающей заготовку, и корпус с центральным отверстием в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала, причем деформирующие элементы расположены в отверстии ротора на упругой втулке, которая закреплена с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части, выполненные с торцов ротора на поверхности его отверстия, при этом производят регулирование и установку жесткости упругой втулки с помощью упомянутых гаек.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием (ППД), и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрических, винтовых и сложнопрофильных поверхностей, например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей.

Известны способ и устройство для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования валов или винтов винтовых насосов, содержащее боек и волновод, выполненные в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент для обработки с натягом, установленный на свободном конце волновода с возможностью приложения к нему нормально к обрабатываемой поверхности статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки с помощью бойка и волновода, при этом деформирующий инструмент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, свернутой в кольцо, внутренний диаметр которого меньше диаметра заготовки на величину двойного натяга для обеспечения статической нагрузки, при этом свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина установлена с возможностью охватывания заготовки, кроме того, свернутая в кольцо винтовая цилиндрическая пружина содержит натяжное устройство для регулирования статической нагрузки [1, 2].

Недостатками известных способа и устройства являются узкие технологические возможности и конструктивно сложный привод деформирующего устройства, оснащенного механизмами статического и импульсного нагружения инструмента, в виде гидравлического генератора импульсов, отличается низким КПД, большой энергоемкостью. Все это повышает себестоимость обработки, снижает производительность, ухудшает качество обрабатывающей поверхности, требует сложной и длительной настройки.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей ППД упрочнения сложнопрофильных поверхностей путем использования охватывающего инструмента с деформирующими элементами в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной и расположенной на внутренней поверхности полого вала - ротора электродвигателя и позволяющей улучшить качество обрабатываемой поверхности, повысить КПД и производительность и снизить себестоимость и энергоемкость процесса обработки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа статико-импульсного упрочнения пружинным деформирующим инструментом наружных поверхностей винтов и цилиндрических валов, включающего сообщение заготовке и многоэлементному деформирующему инструменту вращательных движений вокруг собственных осей и продольной подачи многоэлементному деформирующему инструменту, при этом используют многоэлементный деформирующий инструмент, содержащий деформирующие элементы, выполненные в виде витков винтовой цилиндрической пружины, винтообразно скрученной и охватывающей заготовку, и корпус с центральным отверстием в виде статора трехфазного асинхронного коротко-замкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала, причем деформирующие элементы расположены в отверстии ротора на упругой втулке, которая закреплена с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части, выполненные с торцов ротора на поверхности его отверстия, при этом производят регулирование и установку жесткости упругой втулки с помощью упомянутых гаек.

Особенности способа и работы устройства поясняются чертежами.

На фиг.1 показана схема реализации предлагаемого способа и устройства для упрочнения винтовой сложнопрофильной поверхности, продольный разрез; на фиг.2 - вид по А на фиг.1, вид с торца; на фиг.3 - общий вид сбоку на фиг.1; на фиг.4 - разрез по Б-Б на фиг.1.

Предлагаемые способ и устройство, реализующее его, предназначены для пластического деформирования и упрочнения винтовых и сложнопрофильных поверхностей (например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, цилиндрических валов, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей), работа которого заключается в том, что обрабатываемой заготовке 1 и деформирующему инструменту 2 сообщают вращательные движения V_З и V_И соответственно, при этом устройству с деформирующим инструментом 2 сообщают движение продольной подачи S_ПР, а создание натяга обеспечивается поперечной подачей S_поп. Устройство имеет деформирующие элементы, которые наносят по поверхности заготовки многочисленные удары, пластически деформируя и упрочняя наружную поверхность.

Для поверхностного импульсно-ударчого 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 V_З вокруг собственной центральной оси, а импульсно-ударному деформирующему инструменту 2 устройства - продольную подачу S _ПР и возможность движения S_ПОП в поперечном направлении для создание натяга N, необходимого для упрочнения.

Реализующее предлагаемый способ 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 отверстии ротора 6 на упругой втулке 7 расположены деформирующие элементы 8 в виде витков винтовой цилиндрической пружины 2, винтообразно скрученной и охватывающей заготовку 1. Упругая втулка 7 изготовлена, например, из полиуретана СКУ-7Л, резины, поролона и др. упругого материала. Если втулка изготовлена из резины, то при вулканизации резина прочно соединяется с металлическими витками винтовой цилиндрической винтообразно скрученной пружины 2. Пружина 2 своими витками с наружным диаметром d посажена во втулку 7 таким образом, что три четверти d витков расположены во втулке 7 и только одна четвертая часть d витков свободно расположена в отверстии втулки 7 и выступает над ее внутренней поверхностью. Упругая втулка 7 посажена в отверстии ротора 6 по тугой посадке.

С торцов ротора 6 упругая втулка 7 закреплена с помощью гаек 9, ввернутых с каждого торца в резьбовые части отверстия ротора 6. Кроме того, гайки 9 служат не только для крепления и предотвращения продольного смещения упругой втулки в отверстии ротора, но и для регулирования и установки необходимой жесткости упругой втулки 7, влияющей и поддерживающей натяг N установки деформирующих элементов.

Усилие Р упрочнения, воздействующее через деформирующие элементы - витки пружины - на обрабатываемую поверхность заготовки 1, задается поперечной подачей S_ПОП (см. фиг.4). Предлагаемый способ и реализующая его конструкция устройства, предусматривающего крепление деформирующего инструмента 2 в отверстии вала - ротора 6 электродвигателя, установленного, например, на поперечном суппорте токарного станка (не показан), позволяет деформирующим элементам, выполненным в виде витков пружины, прогибаться и совершать поперечные движения А_ПОП, вызванные эксцентричным смещением и расположением некоторых участков обрабатываемой винтовой поверхности.

Так, например, поперечные смещения А_ПОП деформирующих элементов 8 при обработке винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500 будут равны эксцентриситету e ₁=1,65 мм, см. фиг.1. Переход контакта инструмента 2 с заготовкой 1 с одного деформирующего элемента 8 на другой деформирующий элемент вызывает импульсно-ударную пластическую деформацию поверхностного слоя заготовки.

Передача вращательного движения V_И валу ротора 6 с деформирующими элементами 8 осуществляется с помощью электрических сил наводимых в корпусе - статоре электродвигателя, и является минимальной кинематической связью по протяженности и сложности, и исключает использование промежуточных ременных, зубчатых и других передач и редукторов, поэтому устройство имеет высокий КПД.

Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности, полученные предлагаемым способом с помощью данного устройства, зависят от силы удара и числа ударов, приходящихся на 1 мм² поверхности. Эти параметры в свою очередь зависят от окружной скорости вала ротора с деформирующими элементами 8, натяга, размера деформирующих элементов, их числа, частоты вращения, величины продольной подачи устройства и числа проходов.

Несмотря на то что скорость вращения инструмента V_И не регулируется, так как используется асинхронный электродвигатель, устройство позволяет плавно регулировать результирующую скорость упрочнения. Известно, что при вращении заготовки со скоростью V_З и инструмента - V_И в разных направлениях, когда инструмент охватывает заготовку (см. фиг.1-2, 4), результирующая скорость обработки равна сумме скоростей, а при вращении в одном направлении - результирующая скорость обработки равна разности скоростей V_З и V_И. Поэтому в последнем случае, регулируя скорость заготовки V_З, плавно регулируют результирующую скорость обработки, при постоянной скорости инструмента V _И. Таким образом, чтобы плавно регулировать результирующую скорость упрочнения необходимо включить вращения заготовки V _З и инструмента V_И в одном направлении.

Режимы импульсно-ударного деформирования предлагаемым способом, реализуемым данным устройством, оснащенным, например, пружиной из термообработанной стали марки 65Г, которая изготовлена из проволоки диаметром 2 мм, диаметр витка пружины - d=35 мм, число витков - 48 при шаге 10 мм, винтообразно скручена и три раза охватывает стальную заготовку (см. фиг.1), следующие: окружная скорость вала ротора - V_И 2,0 4,0 м/с, окружная скорость заготовки - V_З 0,05 0,5 м/с, число проходов - 2 3, натяг - 0,5 1,5 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 позволяют создать на обрабатываемой сложнопрофильной, в том числе винтовой, 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 и устройства, установленную в патроне с электромеханическим приводом токарного станка мод. 16К20ФЗ, обрабатывали заготовку винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500, который имел следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина винтовой части - 1208 мм, диаметр поперечного сечения винта - D₁=27^-0,05 мм, эксцентриситет - e₁=1,65 мм, шаг - t=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 разработанных способа и устройства, на базе электродвигателя IM5010, модель 4АВ132 В6, 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 упрочнение вели на следующих режимах: окружная скорость инструмента - V_И 2,5 м/с; окружная скорость заготовки - V_З 0,25 м/с, число проходов - 3, натяг - 0,5 мм, продольная S_ПР подача 1,5 2,0 мм/об, усилие упрочнения - 170 175 Н; диаметр винта изменился после обработки на 0,02 мм (0,01 мм на сторону); глубина упрочненного 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 - деформирующие витки из стали 65Г, твердостью HRC 63 65, внутренний радиус по вершинам деформирующих элементов 30,57 мм.

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 и устройством 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 Т_м=3,6 мин (против Т_м ^баз=10,5 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 0,15 0,20 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 6 раз.

Импульсно-ударное деформирование в процессе благоприятно сказываются на условиях работы. Оно приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, облегчает формирование упрочняемой поверхности.

Импульсно-ударное деформирование способствуют 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 увеличивается 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 электропривод устройства, реализующего предлагаемый способ, снижает себестоимость обработки, увеличивает производительность, улучшает качество обрабатываемой поверхности, не требует сложной и длительной настройки.

Источники информации

1. Патент РФ 2324584. МПК В24В 39/04. Способ статико-импульсного поверхностного пластического деформирования. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Самойлов Н.Н., Василенко Ю.В., Подзолков М.Г., Селеменев К.Ф. 2006132948/02, 13.09.06; 20.05.08. Бюл. № 14.

2. Патент РФ 2325265. МПК В24В 39/04. МПК В24В 39/00. Устройство для статико-импульсного поверхностного пластического деформирования. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Самойлов Н.Н., Василенко Ю.В., Подзолков М.Г., Селеменев К.Ф. 2006132949/02; 13.09.06; 27.05.08. Бюл. № 15.