УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

Полезная модель относится к объемной виброударной обработке длинномерных деталей сложной формы поверхностным упруго-пластическим деформированием уплотненной средой стальных или твердосплавных шаров, находящихся под виброударным воздействием и может быть использовано для поверхностного упрочнения, например, лонжеронов лопастей рулевого винта вертолета.
К наиболее универсальным способам упрочнения относятся дробеударные технологии. Это объясняется тем, что обрабатывающим инструментом в данном случае является дробь или стальные шарики, которые не имеют жесткой связи с рабочим органом устройства и, следовательно, форма обрабатываемой детали и ее размеры не имеют принципиального значения. Преимуществами дробеударных способов упрочнения являются также высокие эффективность наклепа и производительность обработки, низкие затраты на оборудование и оснастку. По этим показателям упрочнение дробью превосходит другие методы обработки поверхностным пластическим деформированием и, в частности, обкатывание роликами. Практика применения методов упрочнения обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) свидетельствует о возможности в значительной степени повысить эксплуатационные показатели деталей и, в первую очередь такие, как усталостная прочность, износостойкость, контактная жесткость и выносливость. Этот эффект основан на улучшении шероховатости, повышении микротвердости поверхностного слоя и создании в нем сжимающих остаточных напряжений, благоприятно распределенных по сечению обработанной детали; в котором происходят также изменения в кристаллической решетке с распадом твердых растворов и образованием мелкодисперсимонных фаз. Искажение кристаллической решетки сопровождается дроблением зерен металла и вытягиванием их текстуированием вдоль направления деформации. Причем с увеличением усилия деформирования наблюдается более интенсивный рост микроискажений решетки. Кроме того, обработка ППД сталей мартенситно-аустснитной структуры вызывает дополнительное повышение твердости, связанное с распадом остаточного аустенита и его превращением в мартенсит. В результате взаимодействия зон металла с различной плотностью в поверхностном слое детали создаются сжимающие остаточные напряжения. Объемная вибрационная обработка позволяет в 1,5-2 раза повысить усталостную прочность деталей при знакопеременных нагрузках. Это объясняется не только уменьшением высоты микронеровностей и созданием на обработанной поверхности направленных рисок, но и частичным или полным снятием растягивающих остаточных напряжений после механической обработки и получением в поверхностных слоях деталей остаточных напряжений сжатия.
Известно устройство для вибрационной обработки деталей (RU 1815178 А1, 5 МПК В24В 31/067, 15.05.1993) /1/, согласно которому в центральной части цилиндрического контейнера расположено тело, с которым жестко связан вибратор, выходящий с зазором за пределы контейнера, установленного на основании. Перед пуском в работу контейнер загружают рабочей средой и обрабатываемыми деталями. Затем включают вибратор, который приводит в колебательное движение тело. При этом вибрации, передаваемые массе загрузки приводят последнюю при неподвижном контейнере в циркуляционное движение, при котором производится процесс обработки. Устройство не может быть использовано для обработки длинномерных деталей.
Известное устройство для отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей (RU 2025261, 5 В24В 39/00, 31/06, 1994-12-30) /2/ содержит упруго установленный на основании контейнер, заполненный стальными шарами, и вибратор, сообщающий дну контейнера колебательные движения в вертикальном направлении. Сборный многозубый вкладыш, состоящий из отдельных клиновых звеньев, передающих движение друг к другу через пружины, расположенные в пазах звеньев, сообщает массе загрузки волнообразный импульс уплотнения, что улучшает равномерность обработки, повышает ее качество и производительность при обработке деталей, загружаемых в контейнер через люк. Устройство не может быть использовано для обработки длинномерных деталей.
Другое известное устройство для вибрационной обработки поверхностей деталей которое позволяет обрабатывать длинномерные детали в виде труб, содержит U-образную рабочую камеру, жестко закрепленную на прямоугольной виброплатформе. Камера имеет патрубки для подачи и отвода технологической жидкости и заполняется абразивными гранулами. Детали загружаются в камеру, которой с помощью виброплатфомы сообщаются колебательные движения. (Бабичев А.П., Бабичев И.А., «Основы вибрационной технологии». Издательский Центр Донского государственного технического университета, г.Ростов-на-Дону, 1999, с 128-135) /3/. При загрузке камеры деталями в виде труб и втулок абразивные гранулы воздействуют неравномерно на внутреннюю поверхность детали, что приводит к интенсивной обработке внутренней поверхности детали у торцов и недостаточной обработке в середине внутренней поверхности детали, что снижает качество обработки внутренних поверхностей деталей.
Известен вибрационный станок (RU 95102707 А1, 6 МПК В24В 31/06, 10-03-1997) /4/, в котором повышение производительности и качества обработки протяженных деталей достигается за счет интенсификации перемещения рабочей среды в объеме контейнера. Вибрационный станок содержит упруго установленный контейнер, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сильфона, направляющих колонок и вибровозбудителя. Детали закреплены в контейнере с помощью замков и обрабатываются рабочей средой.
Недостатком устройства является низкое качество обработки внутренней поверхности протяженных деталей, что обусловлено тем, что при перемещении рабочей среды поток гранул, попадающих во внутреннюю полость детали незначителен.
Известно устройство для упрочнения поверхности деталей любой формы поверхностным пластическим деформированием уплотненной средой стальных или твердосплавных шаров, находящихся под виброударным воздействием RU 2025259, 5 МПК В24В 31/06, 1994-12-30 /5/, в котором рабочая камера упруго установлена на основании. Крупные детали закрепляются на крышке рабочей камеры с помощью специального приспособления с возможностью медленного вращения от двигателя. Конструкция устройства обеспечивает повышение энергии динамического взаимодействия рабочей среды с обрабатываемой поверхностью, увеличение скорости циркуляции массы загрузки, что способствует повышению равномерности и производительности обработки. Однако известное устройство не позволяет производить поверхностно-упрочняющую обработку длинномерных деталей.
Известно устройство для вибрационной обработки внутренних поверхностей протяженных деталей, содержащее U-образную камеру, снабженную системой подвода и отвода технологической жидкости, держателями детали, закрепленными в камере, заполненной абразивными гранулами и жестко закрепленной на виброплатформе (RU 29000, В24В 31/06, 2003-04-27 /6/. Рабочая камера имеет длину, обеспечивающую размещение протяженных деталей вдоль ее продольной оси, внутри камеры жестко закреплены одни против другого входной и выходной держатели детали, в которых выполнено, по крайней мере, по одному отверстию для прохождения потока абразивных гранул, причем ось отверстий наклонена в сторону выхода потока гранул, а один из держателей является входным, имеет плоскую форму, расположен с зазором относительно дна камеры и снабжен конусными переходниками для крепления одного конца детали. Другой держатель является выходным и выполнен в форме стакана для крепления другого конца деталей, каждая деталь помещена в держателях с продольным и радиальным зазорами. Известное устройство не позволяет обрабатывать внешнюю поверхность длинномерных деталей. Кроме того, обработка деталей сложной конфигурации затрудняется из-за неодинаковых условий обработки различных участков поверхности детали.
Наиболее близким по технической сущности (конструктивному выполнению и назначению) к заявляемому техническому решению аналогом является устройство для поверхностного упрочнения деталей, предназначенное для объемной центробежно-ротационной обработки длинномерных деталей сложной формы (RU 2200652 С2, 7 МПК В24С 1/10, 20-03-2003) /7/, принимаемое за прототип, которое содержит заполненную стальными шариками протяженную рабочую камеру, жестко соединенную в нижней части с дебалансным вибратором и опирающуюся посредством пружин на основание, приводной вал для поворота обрабатываемой детали и механизм поворота, выполненный в виде рычага и соединенный с виброприводом. Один конец рычага закреплен с возможностью поворота в точке опоры, а второй имеет обойму с размещенной внутри нее обгонной муфтой, ступица которой насажена на вал. Рычаг с валом и рабочей камерой совершает качательное движение вокруг точки опоры с частотой и амплитудой вибропривода. При движении рычага и вала вверх обгонная муфта выходит из зацепления с валом, так как ролик отжимает пружину. При движении вниз вал и ступица обгонной муфты входят в зацепление и происходит поворот вала с обрабатываемой деталью на дискретный угол, определяющий скорость вращения детали в зависимости от частоты и амплитуды колебаний вибропривода и длины рычага. Изобретение позволяет повысить равномерность обработки одной детали за одну установку. Недостатки устройства-прототипа состоят в следующем:
1. Не обеспечивается равномерная всесторонняя обработка поверхности детали сложной формы, так как переориентация детали происходит только в вертикальной плоскости поверхности детали сложной формы, а поверхности, ориентированные в горизонтальной плоскости колебаний не подвержены виброударному воздействию такого же уровня как перпендикулярно ориентированные поверхности.
2. Сложность конструкции механизма поворота обрабатываемой детали.
3. Низкая производительность устройства, связанная с обработкой одной детали за одну установку.
4. Ограничение ассортимента обрабатываемых деталей, так как для упрочняющей обработки каждой детали требуется соответствующее устройство для закрепления и ориентации, а при обработке длинномерных деталей, существенно различающихся по размерам и форме, требуется изготовление специальной рабочей камеры, что снижает универсальность устройства.
Задачей, решаемой заявляемым устройством является устранение указанных недостатков с достижением новых технических результатов.
Техническим результатом, достигаемым заявляемым устройством является повышение равномерности обработки поверхности детали сложной формы за счет объемной виброударной обработки всей поверхности детали, повышение производительности обработки за счет увеличения количества одновременно обрабатываемых деталей, повышение универсальности устройства за счет расширения ассортимента обрабатываемых длинномерных деталей и упрощение конструкции механизма поворота обрабатываемой детали.
Технический результат достигается тем, что устройство для поверхностного упрочнения длинномерных деталей сложной формы содержит заполненную стальными шарами протяженную рабочую камеру, жестко соединенную в нижней части с дебалансным вибратором и опирающуюся посредством пружин на основание, приводной вал для поворота обрабатываемой детали и механизм поворота.
Согласно полезной модели, механизм поворота обрабатываемой детали содержит барабанный блок, состоящий из двух параллельно расположенных внутри рабочей камеры стальных дисков, установленных на подшипниковых опорах на приводном валу, проходящем через торцевые стенки рабочей камеры, на внутренних поверхностях стальных дисков выполнено четное количество сквозных пазов для закрепления в них концевых участков протяженных решетчатых контейнеров с обрабатываемыми деталями, установленных с наклоном, обеспечивающим скатывание стальных шаров по обрабатываемой поверхности детали, а на приводном валу жестко закреплен маховик, под нижним торцом которого на основании установлен с регулируемым зазором тормозной башмак, снабженный винтовой парой со стопорной ручкой.
Другие отличия состоят также в том, что
- решетчатые контейнеры установлены в барабанном блоке с углом наклона α=5°-7°;
- решетчатый контейнер имеет в поперечном сечении прямоугольную форму;
- решетчатый контейнер имеет размеры ячеек, обеспечивающие свободное прохождение стальных шаров из рабочей камеры к обрабатываемой детали в процессе обработки;
- решетчатый контейнер снабжен откидной крышкой с замком;
Конструкция устройства для поверхностного упрочнения длинномерных деталей сложной формы поясняется фигурами чертежей.
На фиг.1 приведен схематический чертеж устройства для поверхностного упрочнения длинномерных деталей сложной формы, вид сбоку.
На фиг.2 схематически показано расположение решетчатого контейнера с обрабатываемой деталью в рабочей камере, вид сбоку.
На фиг.3 приведен чертеж решетчатого контейнера для размещения обрабатываемой детали с открытой крышкой.
На фиг.4 показано закрепление трех решетчатых контейнеров в подвижном барабанном блоке в рабочей камере.
На фиг.5 приведен чертеж решетчатого контейнера с размещенной в нем обрабатываемой деталью, сечение А.
На фиг.6 приведен схематически чертеж рабочей камеры, сечение Б.
На фиг.7 приведен чертеж ведущего стального диска барабанного блока для размещения решетчатых контейнеров, сечение А.
На фиг.8 приведен чертеж ведомого стального диска барабанного блока для размещения контейнеров, сечение А.
На фиг.9 приведен чертеж обрабатываемой детали сложной формы - лонжерона рулевого винта вертолета.
Устройство для поверхностного упрочнения длинномерных деталей сложной формы (фиг.1) содержит протяженную вибрационную рабочую камеру 1, выполненную в форме емкости U-образного сечения, заполненной стальными шарами 2, внутри которой установлен механизм поворота обрабатываемых деталей, представляющий собой барабан, содержащий приводной вал 3, установленный на подшипниковых опорах 4 в вертикальных стенках рабочей камеры 1, на котором жестко закреплены на расстоянии, соответствующем длине контейнера два вертикально расположенных стальных диска 5, 6 с посадочными пазами 7, 8, соответственно, для закрепления в них концевых участков 9, 10 длинномерных решетчатых контейнеров 11 с обрабатываемыми деталями 12. (фиг.7, 8, 9). Количество посадочных пазов 7 в диске 5 равно количеству посадочных пазов 8 (фиг.7) в диске 6 (фиг.8) и составляет четное число. При этом посадочные пазы 8 смещены в вертикальной плоскости на расстояние, обеспечивающее наклон решетчатых контейнеров 11 на угол α=5°-7° (фиг.2) для скатывания по наклонной плоскости стальных шариков 2 по внутренней поверхности обрабатываемой детали 12 в процессе обработки. На приводном конце вала 3 жестко закреплен маховик 13, под нижним торцом которого установлен с регулируемым зазором 14 тормозной башмак 15, снабженный винтовой парой 16, 17 со стопорной ручкой 18 (фиг.1). Решетчатый контейнер 11 имеет в поперечном сечении прямоугольную форму и размеры ячеек 19, обеспечивающие свободное прохождение стальных шаров 2 из рабочей камеры 1 к обрабатываемой детали 12 в процессе обработки. Каждый решетчатый контейнер 11 снабжен в верхней части откидной крышкой 20 с петлями 21 и замками 22 (фиг.8) и имеет концевые участки 23, 24 с крепежными элементами 23, 26 для закрепления в посадочных пазах 7, 8. стальных дисков 5, 6. Рабочая камера 1 жестко соединена в нижней части с дебалансным вибратором 27 и опирается посредством пружин 28 на основание 29, на котором закреплен тормозной башмак 15.
Перед пуском рабочую камеру 1 загружают стальными полированными шарами 2, представляющими смесь шаров диаметром 5-7 мм для упрочнения наружной и внутренней поверхности соответствующими 6-ой группе точности по ГОСТ 3722. В решетчатые контейнеры 11 через откидные крышки 20 загружают обрабатываемые детали 12 и закрывают замком 22. Тормозной башмак 15 стопорной ручкой 18 подводят к маховику 13 и устанавливают зазор 14, величина которого задается амплитудой колебаний рабочей камеры 1. Затем включают дебалансный вибратор 26, который сообщает рабочей камере 1 вертикальные колебательные движения с заданной амплитудой и частотой. Маховик 13 совершает колебательные движения с заданной амплитудой и частотой и обеспечивает периодический контакт тормозного башмака 15 с его поверхностью, что приводит к проворачиванию маховика 13 вместе с валом 3 вокруг горизонтальной оси вращения, что обеспечивает поворот стальных дисков 5,6 вместе с решетчатыми контейнерами 11 с размещенными в них длинномерными деталями 12. При этом вибрации вызывают колебания всей массы загрузки на пружинах 27, тормозной башмак 15 также совершает колебательные движения с заданной амплитудой и частотой и обеспечивает периодический контакт с торцевой поверхностью маховика 13, что приводит к круговым колебаниям и проворачиванию маховика 13 вместе с валом 3 вокруг горизонтальной оси вращения и тем самым обеспечивает поворот стальных дисков 5, 6 вместе с решетчатыми контейнерами 11 с размещенными в них длинномерными деталями 12 сложной формы (фиг.9). Объемная вибрационная обработка происходит в результате множества микроударов и относительного скольжения с определенным давлением рабочей среды 2 по всей внешней и внутренней поверхности обрабатываемой детали 12. Под действием вибрации от дебалансного вибратора 27 обрабатывающая среда 2 в вибрирующей рабочей камере 1 приобретает свойство «текучести» и циркулирует в решетчатом контейнере 11 по определенной траектории, зависящей от его формы, характера приложенных колебаний, упругих характеристик подвески вибрационного станка. В процессе обработки стальные шары 2 через ячейки 19 решетчатых контейнеров 11 проникают ко всей поверхности деталей 12, и за счет наклона решетчатых контейнеров 11 в сторону, противоположную приводному концу вала 3 стальные шары 2 скатываются по внутренней поверхности длинномерной детали 12, например, лонжерона рулевого винта вертолета, имеющей сложную форму внешней и внутренней полостей, что вызывает перемещение рабочей среды 2 вдоль продольной оси с одновременной обработкой в вертикальной плоскости. При этом переориентация детали 12 происходит в вертикальной плоскости поверхности простым механизмом поворота, а поверхности, ориентированные в горизонтальной плоскости колебаний подвержены виброударному воздействию такого же уровня как перпендикулярно ориентированные поверхности, что обеспечивает равномерную обработку всей внешней и внутренней поверхностей, которая не достигалась в устройстве-прототипе и в известных аналогах.
Возможность одновременной обработки до восьми деталей (лонжеронов) за одну установку повышает производительность процесса при упрощении механизма поворота обрабатываемой детали.
Исключение необходимости использования для каждого упрочнения детали соответствующего устройства закрепления и поворота обрабатываемой детали и разработки специальной рабочей камеры при обработке длинномерных деталей, существенно различающихся по размерам и форме, обеспечивает универсальность устройства.
Заявляемое устройство предназначено для модернизации существующих вибростендов для упрочнения лонжеронов рулевого винта на предприятии ОАО «Роствертол».
1. RU 1815178 A1, 5 МПК В24В 31/067, 15-05-1993
2. RU 2025261, 5 В24В 39/00, 31/06, 1994-12-30
3. Бабичев А.П., Бабичев И.А., «Основы вибрационной технологии». Издательский Центр Донского государственного технического университета, г.Ростов-на-Дону, 1999, с 128-135.
4. RU 95102707 A1, 6 МПК В24В 31/06, 10-03-1997
5. RU 2025259, 5 МПК В24В 31/06, 1994-12-30
6. RU 29000, В24В 31/06, 2003-04-27
7. RU 2200652 С2, 7 МПК В24С 1/10, 20-03-2003 - прототип