Устройство для поверхностного пластического деформирования

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для дорнования внутренних поверхностей отверстий заготовок. Устройство содержит дорн с жестким деформирующим элементом и упругим деформирующим элементом, гидроцилиндр и демпфер. Гидроцилиндр содержит шток-волновод, который охватывает втулка-боек. Дорн установлен на штоке гидроцилиндра. Демпфер подвижно установлен на штоке гидроцилиндра и содержит цилиндр с вязкой средой, полым штоком и полым поршнем. Полый поршень выполнен с возможностью осуществления движения в цилиндре. Упругий деформирующий элемент расположен на штоке гидроцилиндра перед жестким деформирующим элементом. Упругий деформирующий элемент выполнен в виде винтовой конической пружины с наружной рабочей поверхностью в виде двух усеченных конусов, обращенных друг к другу большими основаниями. Витки больших оснований винтовой конической пружины выполнены с наружным диаметром, равным диаметру отверстия заготовки. Полый шток демпфера контактирует с упругим деформирующим элементом. На рабочих поверхностях деформирующих элементов нанесен слой эпилама. В результате расширяются технологические возможности, увеличивается глубина упрочненного слоя и снижается высота микронеровностей обработанной поверхности. 6 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для дорнования, калибрования, деформирующего протягивания и упрочнения металлических внутренних поверхностей отверстий деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагружением деформирующего инструмента.

Известно устройство и способ для статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания, содержащее патрон, в котором закреплен деформирующий инструмент, при этом он снабжен опорным фланцем для установки обрабатываемой заготовки, гидравлическим генератором импульсов для вырабатывания периодической импульсной нагрузки, волноводом в виде ступенчатого стержня со ступенями малого и максимального диаметров и бойком в виде втулки, который установлен на ступени малого диаметра ступенчатого стержня с возможностью продольного перемещения, а патрон установлен на волноводе, при этом втулка и ступень максимального диаметра ступенчатого стержня выполнены с поперечными сечениями одинаковой площади для передачи деформирующему инструменту периодической импульсной нагрузки вдоль его продольной оси, а соотношение длины втулки к длине ступени максимального диаметра ступенчатого стержня равно единице [1, 2].

Известное устройство и способ отличаются ограниченными технологическими возможностями, недостаточно большим натягом, незначительной глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, низким КПД и большой энергоемкостью оборудования.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей дорнования за счет воздействия статико-импульсной нагрузки на специальный упругий пружинящий деформирующий элемент в сочетании с использованием демпфера и нанесения тонкой пленки эпилама на рабочие поверхности деформирующих элементов, при обработке которыми возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить натяг и глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности, а также увеличение производительности, КПД и снижение энергоемкости процесса.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для поверхностного пластического деформирования дорнованием отверстий заготовок, содержащее дорн с деформирующими элементами и работающий от гидравлического генератора импульсов гидроцилиндр со штоком, являющийся волноводом, который охватывает втулка, являющаяся бойком, при этом дорн установлен на штоке гидроцилиндра с возможностью приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки, причем оно снабжено демпфером, подвижно установленным на штоке гидроцилиндра и имеющим цилиндр с вязкой средой, полым штоком и полым поршнем, выполненным с возможностью осуществления движения в цилиндре, деформирующие элементы выполнены в виде жесткого деформирующего элемента и упругого деформирующего элемента, который расположен на штоке гидроцилиндра перед жестким деформирующим элементом и выполнен в виде винтовой конической пружины, изготовленной из проволоки, с наружной рабочей поверхностью в виде двух усеченных конусов, обращенных друг к другу большими основаниями, при этом витки больших оснований выполнены с наружным диаметром, равным диаметру отверстия заготовки, причем полый шток демпфера контактирует с упругим деформирующим элементом, а на рабочих поверхностях деформирующих элементов нанесен слой эпилама в виде многокомпанентной системы, включающий фторосодержащие поверхностно-активные вещества и регулирующие добавки в растворителях.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки отверстия поверхностным пластическим деформированием - дорнованием со статико-импульсным нагружением упругого пружинящего дорна, продольный разрез; на фиг.2 - схема обработки отверстия упругим дорном предлагаемого устройства, положение дорна перед обработкой, упругий деформирующий элемент в свободном разжатом состоянии; на фиг.3 - то же, положение дорна в процессе обработки, упругий деформирующий элемент в сжатом статической и импульсной нагрузкой состоянии; на фиг.4 - то же, положение дорна в процессе обработки, упругий деформирующий элемент под действием только статической нагрузки; на фиг.5 - схема обработки отверстия упругим дорном предлагаемого устройства, положение дорна в процессе обработки, упругий деформирующий элемент в сжатом статической и импульсной нагрузкой состоянии, совмещенное с положением упругого деформирующего элемента в свободном разжатом состоянии (тонкими линиями); на фиг.6 - схема положения витков пружины к определению разницы диаметров предыдущего и последующего витков конической пружины, продольный разрез, тонкими линиями показано положение витков под суммарной нагрузкой.

Предлагаемое устройство предназначено для поверхностного пластического деформирования (ППД) дорнованием отверстий со статико-импульсным нагружением деформирующего инструмента.

Эту операцию выполняют перемещением с натягом деформирующего инструмента - дорна 1, напоминающего прошивку, в виде оправки с деформирующими элементами, при этом к инструменту с натягом прикладывают статическую нагрузку Р_СТ вдоль обрабатываемой поверхности отверстия заготовки 2. Заготовка 2 опирается на фланец 3, закрепленный на вертикальной стенке, например, горизонтально-протяжного станка (не показан).

Дорн имеет две разновидности деформирующих элементов: жесткие, торовые, традиционной известной конструкции 4 и упругие деформирующие элементы 5, последние расположены на штоке перед жесткими деформирующими элементами. В данной конструкции дорна роль оправки выполняет шток 6 гидроцилиндра 7. Минимальное количество деформирующих элементов в дорне - два: один упругий 5 и один торовый 4.

Упругий деформирующий элемент 5 расположен на штоке 6 перед торовым деформирующим элементом 4, последний является калибрующим. Упругий деформирующий элемент выполнен в виде винтовой конической пружины, изготовленной из проволоки диаметром d_ПР, с наружной рабочей поверхностью в виде двух усеченных конусов, обращенных друг к другу большими основаниями, при этом витки больших оснований выполнены в количестве двух штук наружным диаметром D, равным диаметру обрабатываемого отверстия заготовки. Диаметр каждого последующего витка D_М меньше предыдущего D_Б (см. фиг.2, 6) на величину, определяемую по формуле

D_Б-D_M=4d_ПР·sinα, мм;

где D_Б - диаметр предыдущего большего витка, мм; d_M - диаметр последующего меньшего витка, мм; d_ПР - диаметр проволоки, мм; α - угол касательной в точке контакта витков, угол скольжения витков, град; принимается (3…5°)<α<45°.

Упругий деформирующий элемент представляет собой винтовую коническую пружину, изготовленную из проволоки, например, по ГОСТ 9389-75. Материал проволоки деформирующих витков пружины (например, твердый сплав ВК15, ВК15М) обеспечивает высокую износостойкость инструмента и высокую изгибную прочность. При малых нагрузках на инструмент можно применять сплав ВК8.

Деформирующие элементы дорна установлены на оправке, являющейся штоком 6 гидроцилиндра 7 с возможностью приложения к дорну статической Р_СТ и периодической импульсной нагрузки Р_ИМ. Гидроцилиндр 7 работает от гидравлического генератора импульсов (ГГИ) (не показан [3, 4]). Получение импульсной нагрузки осуществляется с помощью штока с поршнем 8, являющиеся волноводом и втулки 9, охватывающей шток и являющейся бойком.

Одной из отличительных особенностей предлагаемого устройства является наличие демпфера, подвижно установленного на штоке гидроцилиндра в виде полого поршня 10, движущегося в вязкой среде, находящейся в цилиндре 11, и посредством полого штока 12 контактирует с упругим деформирующим элементом. Время срабатывания демпфера больше времени действия импульсной нагрузки Р_ИМ на дорн.

Дополнительно к деформирующему инструменту - дорну прикладывают периодическую импульсную нагрузку Р_ИМ, которая вырабатывается гидравлическим генератором импульсов (ГГИ) (не показан) и сообщается посредством бойка и волновода. С этой целью волновод выполнен в виде штока, а боек выполнен в виде втулки, охватывающей шток-волновод и скользящей вдоль его продольной оси.

Способ дорнования с применением предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Заготовку 2 устанавливают на фланец 3 и передней направляющей частью в заготовку вводят дорн 1. Обработку начинают с включения продольной подачи S_ПР и под действием основной статической нагрузки Р_СТ, развиваемой основным приводом станка, начинается процесс дорнования.

Одновременно с включением основной статической нагрузки Р_СТ включается дополнительная периодическая импульсная нагрузка Р_ИМ, которая осуществляется с помощью бойка 9, воздействующего на торец поршня, жестко соединенного со штоком-волноводом. В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяют ГГИ (не показан) [3, 4], который соединен с корпусом гидроцилиндра 7. При ударе бойка шток вместе с жестким деформирующим элементом 4 сжимает коническую пружину упругого деформирующего элемента 5. При сжатии пружины каждый ее виток меньшего диаметра входит в контакт с витком большего диметра и разжимает последний. Таким образом, при сжатии под действием импульсной силы Р_ИМ пружина раскручивается и средние витки максимального диаметра D будут радиально воздействовать на обрабатываемую поверхность отверстия заготовки. При действии импульсной нагрузки подвижный полый шток демпфера 12 будет оставаться на месте, т.к. сила сопротивления демпфера в первый момент будет больше суммарной нагрузки (Р_СТ+Р_ИМ).

Как показано на фиг.2, 5 и 6, пружина сжимается, уменьшается по высоте и виток меньшего диметра D_M, скользя по торовой наружной поверхности соседнего витка большего диаметра D_Б, стремится войти в него, ввинчивается и разжимает последний. При таком воздействии всех витков пружины на средние витки с максимальным диаметром D последние внедряются в обрабатываемую поверхность по всей окружности отверстия. В обрабатываемой поверхности возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности.

Исходный импульс, сформированный в бойке-втулке в момент удара по волноводу-поршню со штоком, отражаясь от свободного торца бойка с противоположным знаком, доходит до волновода, одна его часть вновь отражается в боек, а другая переходит в волновод и распространяется в направлении нагружаемой поверхности. Дойдя до нагружаемой поверхности, последняя часть импульса распределяется на проходящий и отраженный. Проходящие волны деформации при соотношении высот поршня и втулки, равном единице, не накладываются и не разрываются, а следуют друг за другом, кроме того, при равенстве площадей контакта поперечных сечений втулки и поршня со штоком энергия удара наиболее полно реализуется в контакте с нагружаемой средой.

Вслед за упругим деформирующим элементом движется жесткий деформирующий элемент, являющийся в данном случае - калибрующим.

С прекращением действия импульсной силы Р_им пружина будет стремиться занять первоначальное положение, средние витки уменьшатся в диаметре, демпфер сработает и его полый шток переместится влево (согласно фиг.4), пружина увеличится в длине.

Однако жесткий деформирующий элемент будет перемещаться справа налево под действием статической нагрузки до тех пор, пока не кончится часть поверхности, обработанной увеличенными в диаметре средними витками пружины, калибруя ее, до следующего действия импульсной силы.

В предлагаемом устройстве используется дорн, эффективно увеличивающий диаметр отверстия за счет пластической деформации поверхности отверстия витками пружины упругого деформирующего элемента. При этом происходит упрочнение поверхностного слоя на большую глубину, чем при обычном дорновании, повышение качества обработанной поверхности и приводит к уменьшению длины конструкции дорна.

Упругий деформирующий элемент, выполненный в виде пружины, будет плавно и постепенно, а не скачкообразно, воспринимать импульсную ударную нагрузку, что значительно снижает вибрации и, как следствие, волнистость обработанной поверхности.

После прекращения действия импульсной нагрузки пружина возвращается в свое первоначальное положение, увеличивается в длине, а витки уменьшаются в диаметре. При этом демпфер срабатывает, его полый шток перемещается влево, освобождая место пружине.

Таким образом, с каждым ударом бойка по волноводу пружина будет сжиматься и раскручиваться, деформирующие витки увеличиваться в диаметре и радиально воздействовать на обрабатываемую поверхность, создавая растягивающие и радиально сжимающие напряжения. В промежутках времени между ударами пружина будет закручиваться и восстанавливать свою первоначальную высоту и витки пружинящего деформирующего элемента будут уменьшаться в диаметре.

Части дорна: шток, стержень, направляющую втулку, дистанционные втулки (не показаны) изготовляют из углеродистых сталей, закаленных до твердости HRC 40-45. В собранном виде радиальное биение деформирующих элементов относительно направляющих не превышает 0,02-0,05 мм. Это требование выполняют за счет высокой точности изготовления деталей дорна. Особое внимание уделяют штоку (радиальное биение его не должно быть более 0,01-0,02 мм), дистанционным втулкам, жестким и упругим деформирующим элементам - пружинам (торцовое и радиальное биение их относительно базового отверстия не должно быть более 0,005-0,01 мм).

Калибрующая ленточка на пружинном элементе отсутствует, но для больших диаметров отверстий (>75-50 мм) может применяться, ее ширину выбирают в зависимости от материала и толщины стенки заготовки ([6] с.399). Диаметр d_ПР проволоки ориентировочно определяется из условия прочности по формуле: d_ПР≈0,33 (Р_СТ+Р_ИМ)^0,7/ (f^0,4[σ_ИЗ]^0,7D^0,4), мм; где d_ПР - диаметр проволоки, мм; (Р_СТ+Р_ИМ) - суммарная (статическая Р_СТ плюс импульсная Р_ИМ) сила дорнования, Н; f - коэффициент трения между элементом и обрабатываемой поверхностью; в зависимости от обрабатываемого материала и технологической смазки f=0,05-0,14; [σ_ИЗ] - допустимое напряжение материала проволоки при изгибе, МПа, для твердого сплава ВК15 - [σ_ИЗ]=1800 МПа; D - диаметр обрабатываемого отверстия, мм.

Глубина упрочненного слоя предлагаемым устройством увеличивается и достигает 1,7-2,5 мм, что значительно (в 3…4 раза) больше, чем при традиционном статическом дорновании. Наибольшая степень упрочнения составляет 27-32%. В результате статико-импульсной обработки по сравнению с традиционным дорнованием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более возрастает в 2,1-2,6 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7-2,2 раза.

На рабочих поверхностях деформирующих элементов нанесен слой эпилама 13 (см. фиг.6), представляющий собой многокомпонентную систему, включающую фторосодержащие поверхностно-активные вещества и регулирующие добавки в растворителях. В результате эпиламирования молекулы технологического модифицированного состава проникают в пограничный слой и образуют на его поверхности тончайшую нанопленку толщиной 3-50 нм, которая позволяет снизить коэффициент трения в 2-3 раза, а поверхностную энергию до 1000 раз. Это обеспечивает придание трущимся поверхностям антифрикционных и антиадгезионных свойств. Сформированная барьерная пленка выдерживает температуру до 459°С, не разрушается при ударных нагрузках до 300 кг/мм, не растворяется ни в одном из применяемых углеводородных растворителей [5].

Пример. Обрабатывали предлагаемым устройством отверстие диаметром 80 мм; заготовки из материала - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса - 11,75 кг. Обработку производили дорном с деформирующими упругим пружинящим элементом - пружиной и жестким элементом, диаметром 80 мм, диаметром проволоки 9 мм, высота деформирующего элемента в сжатом состоянии 63 мм (в свободном - 78 мм), шаг пружины 10,5 мм, из твердого сплава ВК15, угол α=25°. Обработку вели на модернизированном горизонтально-протяжном станке мод. 7Б57 с использованием специального ГГИ - гидравлического генератора импульсов. Модернизация касалась установки на станке специального гидроцилиндра, осуществляющего дополнительное периодическое импульсное нагружение инструмента-дорна, на штоке которого располагался боек, и дополнительного цилиндра демпфера.

Эпиламирование деформирующих элементов производили композициями ТУ 25.07.1120-75 и 6СФК-180-05 ТУ-6-02-1229-82 по технологиям, рекомендуемым производителем. Смазочно-охлаждающая жидкость - сульфофрезол.

Скорость дорнования S_np=4,5 м/мин. Наибольшее значение энергии ударов, развиваемые ГГИ, А=285 Дж (сила удара 265 кН, скорость удара 7,4 м/с), при частоте ударов f=5-15 Гц. Натяг инструмента составлял i=0,3-1,5 мм на диаметр. Статическое нагружение осуществлялось силой до Р_СТ=42 кН.

Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных поверхностей отверстий уменьшился до значения Ra=0,5-0,07 мкм при исходном - Ra=5-6,5 мкм, производительность повысилась более чем в три раза по сравнению с традиционным дорнованием и предварительным развертыванием, используемым на базовом предприятии ОАО "Ливгидромаш". Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,1 раза. Глубина упрочненного слоя достигла 1,7-2,2 мм. Наибольшая степень упрочнения составляла 21-26%. В результате статико-импульсной обработки эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более возросла в 1,8-2,4 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более - в 1,7-2,1 раза. Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности дорнования за счет воздействия статико-импульсной нагрузки на специальный пружинящий деформирующий элемент, при прохождении которого возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить натяг и глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности.

Предлагаемое устройство позволяет повысить производительность процесса дорнования, вести обработку с большим натягом, высоким КПД и минимальной энергоемкостью оборудования.

Источники информации

1. Патент РФ №2312757. МПК В24В 39/02. Устройство для статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Селеменев К.Ф. Заявка №2006116871/02. 16.05.2006; 20.12.2007 - прототип.

2. Патент РФ №2312754. МПК В24В 39/02. Способ статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Селеменев К.Ф. Заявка №2006115432/02. 04.05.2006; 20.12.2007.

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. МПК⁶ В24В 39/04. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей ППД. 95122309/02. 21.12.95. 20.09.97. Бюл. №26.

5. Киричек А.В., Звягина Е.А. Эпиламирование - нанотехнлогия для повышения эффективности механической обработки // Справочник. Инж. Журн. 2007. - №2 (119).

6. 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, 1986. С.397…410.

Устройство для поверхностного пластического деформирования дорнованием отверстий заготовок, содержащее дорн с деформирующими элементами и работающий от гидравлического генератора импульсов гидроцилиндр со штоком, являющийся волноводом, который охватывает втулка, являющаяся бойком, при этом дорн установлен на штоке гидроцилиндра с возможностью приложения к нему статической и периодической импульсной нагрузки, отличающееся тем, что оно снабжено демпфером, подвижно установленным на штоке гидроцилиндра и имеющим цилиндр с вязкой средой, полым штоком и полым поршнем, выполненным с возможностью осуществления движения в цилиндре, деформирующие элементы выполнены в виде жесткого деформирующего элемента и упругого деформирующего элемента, который расположен на штоке гидроцилиндра перед жестким деформирующим элементом и выполнен в виде винтовой конической пружины, изготовленной из проволоки, с наружной рабочей поверхностью в виде двух усеченных конусов, обращенных друг к другу большими основаниями, при этом витки больших оснований выполнены с наружным диаметром, равным диаметру отверстия заготовки, причем полый шток демпфера контактирует с упругим деформирующим элементом, а на рабочих поверхностях деформирующих элементов нанесен слой эпилама в виде многокомпонентной системы, включающей фторосодержащие поверхностно-активные вещества и регулирующие добавки в растворителях.