Устройство для поверхностного пластического деформирования

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. Устройство содержит инструмент с бойком и волноводом и деформирующий инструмент, выполненный в виде клинового ролика. Боек и волновод выполнены в виде стержней одинакового диаметра. Деформирующий инструмент установлен из условия приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности вращающейся заготовки. Периферийная поверхность клинового ролика образована криволинейной образующей, которая имеет наибольшую и наименьшую длину. Волновод выполнен с вилкой, на оси которой с возможностью свободного вращения закреплен упомянутый клиновой ролик. При этом инструмент установлен из условия обеспечения его продольной подачи за один оборот заготовки на величину, не превышающую половину наименьшей длины образующей клинового ролика. В результате расширяются технологические возможности. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статикоимпульсным нагружением инструмента.

Известен способ и устройство для чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием [1], при котором сообщают движения подачи и скорости обработки инструменту и заготовке, контактирующим под приложенной к инструменту нормально к обрабатываемой поверхности постоянной статической нагрузкой в диапазоне усилий, обеспечивающих достижение заданной шероховатости, и периодической импульсной нагрузкой, изменяющейся в установленном диапазоне от минимального до максимального значения. При этом частоту пульсации нагрузки выбирают в зависимости от требуемой глубины наклепа.

Способ и устройство, реализующее его, отличаются низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен способ и устройство для статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, осуществляемое инструментом, к которому нормально к обрабатываемой поверхности прикладывают постоянную статическую нагрузку и перпендикулярную импульсную нагрузку, которая сообщается посредством бойка и волновода, а форму, амплитуду, эффективную длительность и частоту единичных импульсов силы деформирования определяют по приведенным формулам.

Известные способ и устройство отличаются ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования инструмента специальной формы.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для поверхностного пластического деформирования, содержащего инструмент с бойком и волноводом, выполненными в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент, установленный из условия приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности вращающейся заготовки, причем деформирующий инструмент выполнен в виде клинового ролика с периферийной поверхностью, образованной криволинейной образующей, которая имеет наибольшую и наименьшую длину, а волновод выполнен с вилкой, на оси которой с возможностью свободного вращения закреплен упомянутый клиновой ролик, при этом инструмент установлен из условия обеспечения его продольной подачи за один оборот заготовки на величину, не превышающую половину наименьшей длины образующей клинового ролика. Кроме того, клиновой ролик выполнен в виде усеченной с торцов круговой бочки, периферийная поверхность которого образована криволинейной образующей в форме дуги окружности. При этом клиновой ролик выполнен в виде усеченного с торцов тора.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки предлагаемым устройством для поверхностного пластического деформирования на примере заготовки - вала, установленного в патроне и центре на токарном станке; на фиг.2 - конструкция клинового ролика, установленного на волноводе; на фиг.3 - развертка следа ролика диаметром d_p1 на обрабатываемой поверхности; на фиг.4 - поперечное сечение А-А на фиг.1 и 3, где показана форма упрочненной поверхности и степень упрочнения поверхностного слоя; на фиг.5 - расчетные траектории перемещения площади контакта ролика инструмента по обрабатываемой поверхности на пяти оборотах заготовки - вала; на фиг.6 - развертка следа ролика диаметром d_p2=0,5d_p1 (см. фиг.3) на обрабатываемой поверхности; на фиг.7 - развертка следа ролика диаметром d_p3=0,5d_p2 (см. фиг.6) на обрабатываемой поверхности.

Предлагаемое устройство служит для поверхностного пластического деформирования с использованием постоянной статической и периодической импульсной нагрузки на инструмент.

Заготовку 1, например вал, устанавливают в патроне 2 и поджимают центром 3 задней бабки токарного станка, а деформирующее устройство 4, оснащенное механизмами статического и импульсного нагружения инструмента, - в резцедержателе станка 5 (фиг.1). В качестве механизма статического и импульсного нагружения инструмента применяется гидравлический генератор импульсов [3, 4]. Инструменту и заготовке сообщают движение подачи и скорости обработки, вводят их в контакт. В направлении нормали к обрабатываемой поверхности к деформирующему инструменту прикладывают постоянную статическую Р_ст и периодическую импульсную Р_им нагрузку.

Статическое нагружение Р_ст осуществляется посредством пружины 6, смонтированной на волноводе 7. Величина статической силы деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала.

Импульсное нагружение Р_им осуществляется посредством удара бойка 8 по торцу волновода 7, являющегося инструментом.

Волновод 7 контактирует с обрабатываемой заготовкой 1 посредством клинового ролика 9, периферийная поверхность которого имеет криволинейную образующую, например, в виде круговой бочки или тора с максимальным диаметром d_p, усеченной с торцов и имеющей наибольшую h_max и наименьшую h_min образующие, являющиеся дугами окружности.

На торцах ролика 9 расположена ступица 10 с центральным отверстием 11, необходимым для закрепления ролика с возможностью свободного вращения на оси (на фиг.2 не показана), установленной на вилке 12 волновода 7.

Благодаря такой конструкции ролика 9 на обрабатываемой поверхности остается след (см. фиг.3) в виде синусоидальной полосы переменной ширины от h_min до h_max, аналогичный следу при традиционном обкатывании с наложением на инструмент осциллирующих движений.

Частота осцилляции следа инструмента зависит от диаметра ролика d_p. Чем меньше d_p, тем чаще появляются участки как с минимальной шириной, так и с максимальной шириной (см. фиг.3, 6-7). Поэтому для более однородной обработки надо стремится к минимальному диаметру ролика d_p.

В результате удара бойка 8 по торцу волновода 7 в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать на обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов. Дойдя до обрабатываемой поверхности, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы деформации.

Ввиду клиновидности ролика и обкатывания его по заготовке ударный импульс, приходящийся в данный момент на ролик, контактирующий с заготовкой наибольшей образующей h_max, внедряет ролик в обрабатываемую поверхность на меньшую величину l_min, чем при контакте ролика наименьшей образующей h_min. В последнем случае ролик внедрится в обрабатываемую поверхность на максимальную величину l_max (см. фиг.4).

Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым устройством, 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 статикоимпульсной обработки предлагаемым устройством по сравнению с традиционным накатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 1,8...2,7 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7...2,2 раза (см. фиг.4).

С целью устранения волнистости, возникающей в результате неравномерного внедрения ролика в обрабатываемую поверхность, продольную подачу инструмента - волновода на один оборот заготовки назначаем не более половины длины минимальной образующей клинового ролика. На фиг.5 показаны расчетные траектории перемещения площади контакта ролика инструмента по обрабатываемой поверхности на пяти оборотах заготовки - вала (где 1-5 - номера оборотов заготовки, при соотношении D_з/d_p1 - целое число). Как видно на фиг.5, начиная со второго оборота заготовки, не обработанных участков поверхности не остается, примерно 75% поверхности обрабатывается за два прохода (заштрихованы в клеточку), остальные участки поверхности - за один.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки вала на токарном станке с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частоты ударов, радиус ролика инструмента, 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.

Величина силы статического поджатия инструмента к обрабатываемой поверхности составляла Р_ст≥25...40 кН; Р_им=255...400 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость «сырых» образцов - HV 270...280. Глубина упрочненного статикоимпульсной 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 устройством 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 устройством значительно меньше.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя статикоимпульсной 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 устройством предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.

Микровибрации в процессе, реализуемом предлагаемым устройством, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на клиновой ролик инструмента, 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.

Источники информации

1. А.с. СССР 456719, МКИ В 24 В 39/00. Способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием. 1974.

2. Патент РФ 2098259, МКИ⁶ В 24 В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. №96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. №34 - 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.

1. Устройство для поверхностного пластического деформирования, содержащее инструмент с бойком и волноводом, выполненными в виде стержней одинакового диаметра, и деформирующий инструмент, установленный из условия приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки нормально к обрабатываемой поверхности вращающейся заготовки, отличающееся тем, что деформирующий инструмент выполнен в виде клинового ролика с периферийной поверхностью, образованной криволинейной образующей, которая имеет наибольшую и наименьшую длину, а волновод выполнен с вилкой, на оси которой с возможностью свободного вращения закреплен упомянутый клиновой ролик, при этом инструмент установлен из условия обеспечения его продольной подачи за один оборот заготовки на величину, не превышающую половину наименьшей длины образующей клинового ролика.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что клиновой ролик выполнен в виде усеченной с торцов круговой бочки, периферийная поверхность которого образована криволинейной образующей в форме дуги окружности.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что клиновой ролик выполнен в виде усеченного с торцов тора.