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 отделомно-упрочняющей обработки резьбы пластическим деформированием, в частности к инструментам для упрочняющего накатывания наружной резьбы.
Известно устройство для статико-импульсного упрочнения винтов, содержащее корпус с 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 RU 2383426, 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.
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 деформирующими элементами, 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 RU 2383427, 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 RU 142563, 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 RU 2280526, 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 трех резьбонакатных роликов, с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы и радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы равномерно установленных с помощью цапф в прорезях резьбонакатного кольца с возможностью свободного вращения, причем цапфы установлены с возможностью самоподжима к заготовке в овальных отверстиях длиной равной 11-33 припускам, выполненных в резьбонакатном кольце перпендикулярно прорезям с наклоном к центру заготовки на величину припуска в сторону вращения заготовки.
ст
Предлагаемый охватывающий инструмент предназначен для статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания радиуса впадины резьбы на внешних резьбовых поверхностях деталей типа валов и штоков деформирующими элементами в виде не менее трех резьбонакатных роликов с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы и радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы. Ролики, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы заготовки, распределены равномерно в прорезях резьбонакатного кольца и установлены с помощью цапф с возможностью свободного вращения. Цапфы установлены с возможностью самоподжима к заготовке с силой Р в овальных отверстиях, выполненных в резьбонакатном кольце перпендикулярно прорезям с наклоном к центру заготовки на величину припуска в сторону вращения заготовки. Длина овальных отверстий равна 11-33 припускам.
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.
ИМП
ст
Охватывающий инструмент для статико-импульсного отделочно-упрочняющего обкатывания впадины резьбы содержит волновод 1, с помощью которого через боек (не показан) инструменту сообщается динамическая Р деформирующая сила от генератора механических импульсов (не показан). Резьбонакатное кольцо 2 выполнено с прорезями 3 для установки в них не менее трех резьбонакатных роликов 4. Ролики 4 установлены с помощью цапф 5 с возможностью свободного вращения. Цапфы 5 в свою очередь установлены с возможностью самоподжима к заготовке 6 с силой Р в наклонных овальных отверстиях 7, выполненных в резьбонакатном кольце перпендикулярно прорезям 3 и направленных в сторону вращения заготовки с наклоном к центру заготовки на величину припуска. Длина овальных отверстий равна 11÷33 припускам. При перемещении по овальным отверстиям 7 цапфы 5 перемещают и ролики 4. Ролики 4 имеют угол резьбонакатной поверхности меньший угла профиля впадины упрочняемой резьбы и радиус R у вершины соответствующий профилю готовой 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 8 токарного станка.
имп
имп
ст
Предлагаемый охватывающий инструмент работает следующим образом: резьбонакатное кольцо 2 с деформирующими элементами в виде резьбонакатных роликов 4, равномерно распределенных по винтовой поверхности, накручивается на предварительно нарезанную резьбу с припуском на деформацию заготовки 6. Кольцу 2 сообщается динамическая Р деформирующая сила от волновода 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, получаемой через волновод 1 импульсы от генератора механических импульсов (не показан). В процессе работы инструмента, цапфы 5 передвигаются по овальным отверстиям 7 длиной l, наклонных в сторону вращения на величину припуска t в сторону заготовки 6 - происходит их самоподжатие к заготовке. Установленные на них ролики 4 перемещаются вместе с ними и самоподжимаются к заготовке 6 силой Р, направленной к центру заготовки 6. Таким образом, для роликов 4 обеспечивается свободное вращение на цапфах 5 и самоподжим - одновременно.
Для центрирования инструмента на предварительно нарезанной резьбе минимально достаточно трех роликов 4, т.к. окружность определяется тремя точками (Фиг. 2).
Необходимую длину l овальных отверстий 7 можно рассчитать из условия самоподжима (самоторможения клиновой поверхности):
где α - угол наклона прорези , где t - величина деформации впадины резьбы (припуск на обработку), мм, l - длина овального отверстия;
φ - угол трения, tgφ=f, f=0,03-0,09 - коэффициент трения стали по стали;
Расчет необходимой мощности привода вращения заготовки показан ниже (Фиг. 2).
1
2
Сопротивление вращению заготовки представляют силы трений Fролика 4 по заготовке 6 и F цапф 5 по овальному отверстию 7.
k
где f - коэффициент трения качения, м;
p
d - диаметр ролика, м;
ц
d - диаметр цапф, м;
ст
Р - сила поджатая ролика к заготовке
кр
Тогда момент вращения заготовки М для преодоления сил трения
где 3 - количество роликов.
∂
Мощность N, потребную для обработки, можно посчитать по формуле
3
-1
где n - число оборотов заготовки мин;
η - кпд привода станка η=0,85-0,95;
эл
N - мощность электродвигателя привода станка.
Из схемы статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на заготовке (Фиг. 3) можно установить зависимость высоты микронеровностей поверхности Rz после обработки от параметров режимов обработки. Поскольку работают одновременно три ролика 4, то шероховатость уменьшится в три раза.
где Rz - высота микронеровностей;
p
d - наружный диаметр ролика;
γ - угол поворота заготовки за один импульс, рад;
имп
-1
n - число (частота) импульсов, мин;
3
-1
n - число оборотов заготовки мин.
3 - количество роликов.
По приведенной формуле, 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, приведенной на Фиг. 4, можно рассчитать зависимость усилия вдавливания и энергии удара, прикладываемого к инструменту, от глубины деформации.
Поскольку в работе участвуют три ролика одновременно, то необходимая энергия импульса инструмента в три раза больше
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;
3
d - диаметр впадины резьбы с радиусом закругления, м;
Я - 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;
p
α - угол профиля ролика;
3 - количество роликов.
По приведенным формулам, задаваясь глубиной деформации, твердостью заготовки, диаметром роликов и радиусом впадины резьбы можно определить требуемое усилие вдавливания роликов и энергию генератора импульсов инструмента для статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы заготовки.
эл
р
-1
-1
При промышленных испытаниях заготовку из стали 40ХНМ2А твердостью 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, мощность электродвигателя привода станка N=11 кВт. В резцедержателе закреплен генератор механических импульсов (отбойный молоток частотой импульсов n=4200 мин и энергии удара G=3,1 Дж) в бойке установлен волновод. Резьбонакатное кольцо с установленными в прорезях тремя роликами, диаметром 28 мм и диаметром цапфы 9 мм сталь ХВГ с углом профиля 55° и радиусом у вершины R=0,58 мм, 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 2,5…2,8 раза по сравнению со статико-импульсным накатыванием резьбы охватывающим инструментом. Размеры резьбы соответствуют требованиям точности 6g. Параметр шероховатости поверхности резьбы Ra=0,2 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 трех резьбонакатных роликов, с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы и радиусом при вершине равным радиусу впадины готовой резьбы, установленных в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы заготовки с возможностью свободного вращения в прорези и самоподжима (за счет перемещения цапф) к заготовке повышает точность и производительность обработки и снижает шероховатость деформируемой поверхности.