ОХВАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО НАКАТЫВАНИЯ РЕЗЬБЫ НА ЗАГОТОВКЕ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАРЕЗАННОЙ РЕЗЬБОЙ

Охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой
Полезная модель относится к технологии машиностроения, к изготовлению и оснастки инструмента для статико-импульсной отделочно-упрочняющей обработки резьбы пластическим деформированием, в частности к инструментам для упрочняющего накатывания наружной резьбы.
Известно устройство для статико-импульсного упрочнения винтов, содержащее корпус центральным отверстием для заготовки, деформирующими элементами, бойком и волноводом виде втулки, снабженные гайкой, пластинчатыми пружинами с установленными на них деформирующими элементами и кулачки, обеспечивающие радиальное перемещение деформирующего элемента от волновода по действием периодической импульсной нагрузки [Патент RU2383426, В24В 39/04, B21H 3/12, 2008 г].
Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, равномерности упрочненного слоя, низким КПД из-за большого количества составляющих элементов и невозможности формировать сложный профиль резьбовой винтовой поверхности низкой производительности обработки из-за большой инерционности устройства.
В способе статико-импульсного упрочнения винтов описано устройство для отделочно-упрочняющей обработки, содержащее корпус с центральным отверстием для расположения в нем заготовки, в котором расположены деформирующие элементы и волновод, выполненный в виде втулки, гайку и V-образные изогнутые пластинчатые пружины, с установленными на них деформирующие элементы, на средней части пружин закреплены кулачки, которые контактируют с волноводом, к которому с помощью бойка прикладывают периодическую импульсную нагрузку для радиального перемещения деформирующих элементов [Патент RU2383427, В24В 39/04, В21Н 3/12, 2008 г].
Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, равномерности упрочненного слоя, низким КПД из-за большого количества составляющих элементов и невозможности формировать сложный профиль резьбовой винтовой поверхности, низкой производительности обработки из-за большой инерционности устройства.
Известен охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащий охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с внутренней рабочей кольцевой резьбовой поверхностью, соответствующей профилю впадины резьбы готовой детали, установленное на предварительно нарезанной резьбе заготовки под углом, равным углу подъема накатываемой резьбы, с сообщением кольцу статической и динамической составляющих деформирующей силы [Патент RU142563, В21Н 3/02, 2014 г].
Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, равномерности упрочненного слоя, низким КПД из-за ограниченности поверхности контакта и низкой производительности обработки из-за большой инерционности устройства.
Наиболее близким техническим решением является охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы, состоящий из волновода и воздействующего на него бойка, связанного с генератором механических импульсов. Волновод выполнен в виде корпуса с вращающимся кольцом, установленным под углом, равным углу подъема накатываемой резьбы. Кольцо выполнено с внутренней кольцевой резьбовой поверхностью, содержащей заборный конус и цилиндрическую калибрующую часть. Кольцу сообщается статистическая и динамическая составляющие деформирующей силы [Патент RU2280526, В21Н 3/02, 2005 г].
Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения точной установки угла наклона волновода с кольцом при каждой новой детали с отличающимися параметрами резьбы, неточность установки приводит к увеличению погрешности шага резьбы, угла профиля и волнистости поверхности и низкой производительности.
Техническим результатом является повышение надежности инструмента, точности и производительности обработки, и снижение шероховатости деформируемой поверхности впадины резьбы.
Технический результат достигается охватывающим инструментом для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащем волновод с корпусом, боек, выполненный с возможностью воздействия на волновод и связанный с генератором механических импульсов, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с деформирующим элементом, выполненное с возможностью сообщения ему деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие, при этом деформирующий элемент выполнен в виде не менее четырех резьбонакатных роликов, с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы, установленных равномерно в прорезях резьбонакатного кольца в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы заготовки с возможностью свободного вращения.
Предлагаемый охватывающий инструмент предназначен для статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на внешних резьбовых поверхностях деталей типа валов и штоков деформирующими элементами в виде не менее четырех роликов с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы. Ролики, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы заготовки, распределены равномерно по резьбонакатному кольцу и установлены в прорезях с помощью цапф с возможностью свободного вращения.
Сущность конструкции инструмента поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой; на фиг. 2 представлен разрез А-А охватывающего инструмента для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой; на фиг. 3 представлена схема статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на заготовке заявленным охватывающим инструментом для расчета высоты микронеровностей поверхности Rz после обработки; на фиг. 4 представлена схема статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на заготовке заявленным охватывающим инструментом для расчета усилия и энергии деформации впадины резьбы.
СТ
ИМП
Охватывающий инструмент для статико-импульсного отделочно-упрочняющего обкатывания впадины резьбы содержит волновод 1, с помощью которого через боек (не показан) инструменту сообщаются статическая Р и динамическая Р составляющие деформирующей силы от генератора механических импульсов (не показан). Резьбонакатное кольцо 2 выполнено с прорезями 3 для установки не менее четырех роликов 4. Ролики 4 установлены с помощью цапф 5 с возможностью свободного вращения и имеют угол резьбонакатной поверхности меньший угла профиля впадины упрочняемой резьбы. Ролики 4 равномерно распределены в резьбонакатном кольце 2 по винтовой поверхности с углом подъема ψ, в соответствии с шагом Ρ предварительно нарезанной резьбы заготовки.
Охватывающий инструмент накручивается на предварительно нарезанную резьбу заготовки 6. Заготовка 6 устанавливается в самоцентрирующем трехкулачковом патроне 7 токарного станка.
СТ
ИМП
СТ
ИМП
Предлагаемый охватывающий инструмент работает следующим образом: резьбонакатное кольцо 2 с деформирующими элементами в виде резьбонакатных роликов 4, равномерно распределенных по винтовой поверхности, накручиваются на предварительно нарезанную резьбу с припуском на деформацию заготовки 5. Ему сообщается статическая Р и динамическая Р составляющие деформирующей силы за счет прижатия к заготовке волноводом 1. Заготовка 6 вращается с угловой скоростью ω. Резьбонакатное кольцо 2 получает движение продольной подачи S, равное шагу резьбы Ρ и воздействует через свободно вращающиеся ролики 4 на заготовку 6 с поперечной силой Р+Р, получаемой через волновод 1 импульсы от генератора механических импульсов (не показан).
Из разреза А-А (фиг. 2) можно рассчитать зависимость количества роликов инструмента η от параметров режимов обработки по формуле:
р
где d - наружный диаметр ролика, который можно определить по формуле
ц
d=3,65·P+d=3,65·Ρ+2,21·Ρ=5,86·Ρ, где Ρ - шаг резьбы, мм;
ц
d=2,21·Ρ - диаметр цапфы;
з
3
d - диаметр впадины резьбы с радиусом закругления, который определяется по формуле d=d-l,2267·Ρ
d - наружный диаметр обкатываемой резьбы;
C
C
з
р
D - диаметр осей роликов в резьбонакатном кольце, который определяется по формуле D=d+d;
С
С
р
В - ширина резьбонакатного кольца сепараторного кольца которая определяется по формулеВ=0,5·d.
По приведенной формуле можно определить минимальное количество роликов для центрирования по нарезанной резьбе при наименьшем диаметре резьбы и оптимальном диаметре ролика, когда соотношение будет .
Из схемы (фиг. 3) можно рассчитать зависимость высоты микронеровностей поверхности Rz после обработки от параметров режимов обработки.
Где Rz - высота микронеровностей;
p
d - наружный диаметр ролика;
γ - угол поворота заготовки за один импульс, рад;
имп
-1
n - число (частота) импульсов, мин;
з
-1
n - число оборотов заготовки мин.
По приведенным формулам, задаваясь частотой импульсов, числом оборотов заготовки, можно определить высоту микронеровностей после статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы заготовки и сравнить с допустимой.
Из схемы (фиг. 4) можно рассчитать зависимость усилия вдавливания и энергии удара, прикладываемого к инструменту, от глубины деформации.
где Ρ - усилие вдавливания ролика во впадину резьбы, Н;
G - энергия удара ролика, Дж;
2
НВ - твердость заготовки по Бринеллю Н/м;
d - наружный диаметр резьбы, м;
1
d - внутренний диаметр резьбы, м;
з
d - диаметр впадины резьбы с радиусом закругления, м;
R - радиус закругления впадины резьбы, м;
p
d - наружный диаметр ролика;
t - глубина вдавливания ролика во впадину резьбы (припуск на обработку);
α - угол профиля метрической резьбы;
р
α - угол профиля ролика;
По приведенным формулам, задаваясь глубиной деформации, твердостью заготовки, диаметром роликов и радиусом впадины резьбы можно определить требуемое усилие вдавливания роликов и энергию удара инструмента для статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы заготовки.
р
-1
-1
При промышленных испытаниях заготовку стали 40ХНМ2А твердость НВ 226-253, с предварительно нарезанной резьбой М90×4 с припуском на диаметр z=0,5 мм закрепили в трехкулачковом самоцентрирующем патроне токарного станка модели 1М63Н. В резцедержателе закреплен генератор механических импульсов (отбойный молоток частотой импульсов n=4200 мин и энергии удара G=3,l Дж) в бойке установлен волновод. Резьбонакатное кольцо с установленными внутри 4 роликами диаметром 24 мм сталь ХВГ с углом профиля 55°, равномерно расположенными по периметру резьбонакатного кольца, накручивается на заготовку с предварительно нарезанной резьбой с углом профиля 60°. Скорость вращения шпинделя станка, в котором закрепляется обрабатываемая заготовка резьбы n=10 мин, подача S=4 мм/об.
Испытаниями установлено, что производительность процесса повышается в 2,0…2,2 раза по сравнению со статико-импульсным накатыванием резьбы охватывающим инструментом. Размеры резьбы соответствуют требованиям точности 6g. Параметр шероховатости поверхности резьбы Ra=0,25 мкм. Глубина упрочненного слоя t=0,25 мм. Увеличение микротвердости и прочности наклепанного слоя составило в среднем 25%.
Предлагаемый охватывающий инструмент для упрочнения наружной резьбы прост в реализации, не сложен в конструкции и надежен в эксплуатации, позволяет повысить точность изготовления резьбы, снизить высоту микронеровностей, повысить производительность обработки. Получаемый упрочненный слой обладает повышенной твердостью и сопротивлением усталостному разрушению.
Таким образом, охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, с деформирующим элементом, выполненным в виде не менее четырех резьбонакатных роликов, с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы, установленных в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы заготовки с возможностью свободного вращения повышает точность и производительность обработки и снижает шероховатость деформируемой поверхности.