СПОСОБ ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО РАСКАТЫВАНИЯ
METHOD OF OSCILLATORY SIZING

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для отделочно-упрочняющей обработки отверстий заготовок из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием раскатыванием с осцилляцией деформирующих элементов.
Известен способ раскатывания внутренних цилиндрических поверхностей раскатками с установленными на заданный размер свободными роликами или шариками (ГОСТ 17573-72 и ГОСТ 17574-72). Такие жесткие инструменты позволяют получать поверхности с высокой точностью размеров и геометрической формы.
Но из-за погрешности предшествующей обработки пластическая деформация поверхностного слоя оказывается неравномерной. Основной размер по роликам или шарикам инструмента регулируют перемещением деформирующих элементов в осевом направлении по опорному конусу, причем регулирование отличается ограниченными возможностями. Высокие требования к изготовлению деформирующих элементов (например, разноразмерность шариков не должна быть более 2 мкм) и отсутствие универсальности делает этот инструмент дорогим. Раскатки отличаются и другими ограниченными возможностями: низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.
Задача изобретения - расширение технологических возможностей, повышение производительности, точности и качества обработки путем обеспечения осевого вибрационного возвратно-поступательного перемещения деформирующих элементов за счет введения дополнительного планетарного движения, позволяющее регулирование и установление оптимальной частоты и амплитуды осцилляции, зависящей от частоты вращения инструмента.
Эта задача решается предлагаемым способом раскатывания отверстий многоэлементным устройством, содержащим корпус с деформирующими элементами, которому сообщают возвратно-вращающее движение и относительное возвратно-осевое перемещение, при этом обеспечивают планетарное вращение корпусу, собственная ось вращения которого смещена на величину эксцентриситета относительно его планетарной оси, совпадающей с осью заготовки, при этом корпус снабжают рабочими цилиндрами, которые расположены радиально под острым углом к продольной оси, с поршнями и штоками, причем на внешних торцах штоков закрепляют деформирующие элементы, со сферической рабочей поверхностью, получающие осциллирующие вибрационные перемещения и интенсивно воздействующие на обрабатываемую поверхность, а внутренние полости всех цилиндров, заполненные маслом под давлением, сообщают через перепускные отверстия с центральной полостью, которая соединена с внешней гидростанцией.
Сущность способа и устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ, поясняется чертежами.
1
2
1
На фиг.1 показана схема обработки отверстия поверхностным пластическим деформированием раскатыванием предлагаемым способом и устройством с планетарным и осциллирующим движением, продольный разрез; на фиг.2 - общий вид устройства сверху, сечение по Б-Б на фиг.1; на фиг.3 - общий вид устройства сбоку (тонкими линиями показано два диаметрально противоположных положения); на фиг.4 - развертка обрабатываемого отверстия и траектории осциллирующих движений с амплитудой А деформирующих элементов в количестве 8 шт.; на фиг.5 - развертка обрабатываемого отверстия и траектории осциллирующих движений с амплитудой А>А деформирующих элементов в количестве 8 шт.; на фиг.6 - к определению величины амплитуды деформирующих элементов.
ПЛ
ПЛ
И
Предлагаемый способ, реализуемый многоэлементным осциллирующим устройством 1, предназначен для чистовой отделочной обработки отверстий поверхностным пластическим деформированием (ППД) - раскатыванием множеством деформирующих элементов, совершающими вращательные и осевые вибрационные возвратно-поступательные перемещения с амплитудой А за счет введения планетарного движения V и эксцентричного смещения «е», введения планетарного движения V и эксцентричного смещения «е», позволяющие регулирование и установление оптимальной частоты, зависящей от частоты вращения устройства V.
И
ПР
Устройство содержит корпус 2 с деформирующими элементами 3, которому сообщают вращательное движение относительно собственной оси со скоростью V и относительное осевое возвратно-поступательное перемещение S, как при традиционном раскатывании. В корпусе 2 радиально под острым углом β к продольной оси расточены рабочие гидроцилиндры 4, в которых с возможностью перемещения расположены поршни 5 со штоками 6. Поршни со штоками смонтированы в гидроцилиндрах таким образом, что штоки расположены на периферии корпуса. Длина всех штоков одинаковая.
На внешних торцах штоков 6 закреплены деформирующие элементы 3, со сферической рабочей поверхностью, воздействующие на обрабатываемую поверхность заготовки. В разработанной конструкции деформирующие элементы (могут быть изготовлены из алмазов, ВК8, ШХ 15 и др.) по форме представляют собой болт со сферической головкой, который крепится на штоке на резьбе. Это позволяет производить быструю замену изношенных деформирующих элементов. В зависимости от технологических задач количество рабочих цилиндров в корпусе может быть от двух и более штук исходя из конструктивных соображений. С целью увеличения жесткости конструкции шток и поршень могут быть выполнены как единое целое. По периферии корпуса цилиндры закрыты крышками 7 с отверстиями под шток, которые ограничивают ход поршня и удерживают его в цилиндре. В наружной канавке поршня вставлено уплотнительное кольцо 8.
Внутренние полости всех цилиндров, заполненные маслом под давлением, через перепускные отверстия 9 сообщаются между собой и с центральной полостью 10, которая соединена с внешней гидростанцией (не показана). Центральная полость образована и расположена в корпусе устройства и сверху (см. фиг.1) закрыта крышкой 11. Герметичность прилегания крышки достигается уплотнительным кольцом 12. Такое сообщение цилиндров между собой и с гидростанцией позволяет создавать необходимое рабочее давление, которое развивается каждым гидроцилиндром независимо от величины вылета штока, и внедрять деформирующие элементы в обрабатываемую поверхность на необходимую одинаковую глубину.
И
К крышке 11 посредством фланца крепится полый вал 13, на котором установлено зубчатое колесо 14, обкатывающееся по внутреннему неподвижному зубчатому колесу 15. Колесо 15 закреплено на стойке 16, которая установлена на станине станка (не показана). Первоначальное вращательное движение  снимается со шпинделя 17 станка и передается кулисе 18, на выходе которой вал 13 получает необходимую для раскатывания скорость V.
Снабжение центральной полости жидкостью высокого давления осуществляется через полый шпиндель 17, муфту, которая (не показана) расположена в кулисе, и полый вал 13.
ПЛ
Зубчатое колесо 14, обкатывающееся по внутреннему неподвижному зубчатому колесу 15, передает планетарное вращение V всему корпусу относительно центральной продольной оси, совпадающей с осью шпинделя, осью внутреннего зубчатого колеса 15 и осью заготовки. Таким образом, собственная ось вращения корпуса смещена на величину эксцентриситета «е» относительно планетарной оси, совпадающей с осью заготовки.
И
ПР
Корпусу 2 сообщают вращение со скоростью V и относительное осевое перемещение S, как при традиционном раскатывании.
Угол наклона осей цилиндров принимается не более 90° и желательно не менее 45°, т.е. в пределах 45°<β<90°, относительно продольной оси.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что деформирующие элементы установлены на штоках подвижно относительно корпуса и имеют возможность перемещаться как в продольном, так и в поперечном направлениях.
Предлагаемый способ и устройство для раскатывания осуществляется следующим образом.
В глухих радиальных, наклонных к продольной оси, гидроцилиндрах корпуса установлены поршни, на которые воздействует масло под давлением, вырабатываемое гидростанцией (не показана), при этом создается статическая нагрузка, действующая на шток с деформирующим элементом, последний воздействует на обрабатываемую поверхность заготовки. Выбор усилия воздействия деформирующих элементом на обрабатываемую поверхность заготовки зависит от конкретных условий обработки и технических требований к обрабатываемой поверхности.
Равное статическое нагружение всех деформирующих элементов обеспечивается гидросистемой, подающей масло через полый шпиндель, муфту, полый вал, центральную полость и перепускные отверстия в гидроцилиндры.
И
Вибрационные перемещения с амплитудой А и определенной частотой, равной скорости вращения V деформирующих элементов, осуществляются за счет введения планетарного вращения устройства, позволяющее приближать и удалять корпус относительно деформирующих элементов.
И
ПР
ПЛ
Заготовка, как правило, неподвижна, а раскатывающему устройству сообщают возвратно-вращательное движение V, возвратно-поступательную продольную подачу S и планетарное вращение V с эксцентриситетом «е».
ОТВ
Перед вводом устройства в обрабатываемое отверстие заготовки деформирующие элементы сведены к центру ввиду отсутствия масла под давлением в гидроцилиндрах, при этом деформирующие элементы располагаются на меньшем диаметре, чем диаметр обрабатываемого отверстия D.
Как только устройство введено в отверстие заготовки, включается в работу гидросистема и деформирующие элементы входят в контакт с обрабатываемой поверхностью. При приближении продольной оси корпуса к обрабатываемой поверхности отверстия, как результат планетарного движения, деформирующие элементы совершают продольное перемещение на величину А за один оборот устройства и постоянное силовое воздействие.
Величина продольной амплитуды осцилляции А деформирующих элементов зависит от эксцентриситета «е» смещения оси планетарного вращения относительно продольной оси корпуса и угла β наклона гидроцилиндров к этой оси. Величина амплитуды А определяется при совмещении левого N и правого С положений деформирующих элементов (см. фиг.1, 6). При рассмотрении треугольников BCD и BKN можно отметить, что отрезок LM равен амплитуде А, а отрезок NM равен 2е, тогда из треугольника NML-tgβ=А/2е.
Откуда величина продольной амплитуды осцилляции А деформирующих элементов определяется по формуле:
А=2е·tgβ мм,
где е - эксцентриситет смещения оси планетарного вращения устройства относительно продольной оси корпуса, мм;
β - угол наклона штока с деформирующим элементом к продольной оси, град.
ПЛ
В результате ввода планетарного движения деформирующие элементы совершают продольное перемещение со скоростью V на величину А за один оборот планетарного движения корпуса, интенсивно воздействуя на обрабатываемую поверхность.
Как видно на развертках обрабатываемого отверстия (см. фиг.4-5), где показаны траектории осциллирующих движений деформирующих элементов, сочетание вращательного движения с возвратно-поступательным движением деформирующих элементов устройства создает перекрестное движение элементов без изменения силы давления и силы трения. Точка касания деформирующего элемента со стенкой обрабатываемого отверстия опишет синусоидальную траекторию. Получение сложного микрорисунка способствует уменьшению степени износа обработанных поверхностей, удержанию смазки в процессе эксплуатации этих поверхностей.
1
2
1
На фиг.4 показана развертка обработанного отверстия и траектории осциллирующих движений с амплитудой А деформирующими элементами в количестве 8 штук, а на фиг.5 - развертка обрабатываемого отверстия и траектории осциллирующих движений с амплитудой А>A деформирующих элементов в количестве 8 шт. Во втором случае устройство настроено на больший эксцентриситет «е» и имеет большие углы β наклона гидроцилиндров к продольной оси.
Таким образом, происходит ППД раскатывание с постоянным нагружением деформирующих элементов и их осциллирующим вибрационным движением в продольном направлении, которое существенно улучшает качество обработанной поверхности и повышает в несколько раз производительность.
На начальной стадии обработку ведут при е≠0 с наложением вибраций на деформирующие элементы, что обеспечивает повышение качества обработки. На завершающей стадии обработку могут осуществлять при е=0 выхаживанием при соосном расположении заготовки и инструмента. Последнее возможно при условии вывода из зацепления зубчатых колес 14 и 15.
В результате раскатки по предлагаемому способу шероховатость поверхности деталей из стали, чугуна и цветных металлов снижается. Перед раскатыванием такими устройствами отверстия обрабатывают тонким растачиванием или развертыванием с допуском на диаметры 0,01 мм и параметром шероховатости поверхности Ra≤8 мкм. Припуск на обработку не должен превышать 0,02…0,03 мм на диаметр [1].
При изготовлении устройства его детали обрабатывают с точностью по 6-7-му квалитетам и параметром шероховатости поверхности Ra=0,2…0,4 мкм. Радиальное биение собранного устройства по сферическим поверхностям деформирующих элементов при проверке на центрах не должно превышать 8…10 мкм. Рабочие поверхности корпуса, штоков, деформирующих элементов закаливают до твердости HRC 62…64.
Изменение размеров поверхности при раскатывании связано со смятием микронеровностей и пластической объемной деформацией заготовки. Таким образом, точность обработанной заготовки будет зависеть от ее конструкции и конструкции устройства, режимов обработки, а также от точности размеров, формы и качества поверхности заготовки, полученных при обработке на предшествующем переходе.
При обработке по предлагаемому способу жестких заготовок изменение их размеров вызвано уменьшением микронеровностей на поверхностях. Величина изменения размера зависит от состояния исходной поверхности. При этом точность размеров существенно не меняется. Процесс обработки характеризуется небольшими натягами, и поэтому также сопровождается незначительными изменениями размеров. При раскатывании тонкостенных заготовок точность их размеров можно повысить на 10…20%, а отклонение формы при этом составит 10…30 мкм.
Неблагоприятные условия обработки заготовки вблизи торцов приводят к увеличенной пластической деформации заготовки на участках длиной 3…15 мм. При высоких требованиях к точности следует проводить обработку с малыми усилиями, устанавливать предохранительные шайбы и т.п.
Наиболее целесообразно раскатыванием обрабатывать исходные поверхности 7…11-го квалитетов. При ППД раскатыванием предлагаемым способом практически достигаются параметры шероховатости обрабатываемой поверхности Ra=0,2…0,8 мкм при исходных значениях этих параметров 0,8…6,3 мкм. Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от материала, рабочего усилия или натяга, подачи, исходной шероховатости, конструкции устройства и т.д.
Раскатывание следует проводить так, чтобы заданные результаты достигались за один проход. Не следует использовать обратный ход в качестве рабочего хода, так как повторные проходы в противоположных направлениях могут привести к излишнему деформированию поверхностного слоя. Кроме того, рабочий профиль деформирующих элементов обычно предназначен для работы только в одну сторону.
Скорость не оказывает заметного влияния на результаты обработки и выбирается с учетом требуемой производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость составляет 30…150 м/мин.
N
Значение усилия раскатывания выбирают в зависимости от цели обработки. Оптимальное усилие P (Н), соответствующее максимальному пределу выносливости, определяют по формуле
,
ОТВ
где D - диаметр раскатываемого отверстия заготовки, мм.
ПР
P
Ш
ПР
Ш
Для многоэлементного инструмента, каковым является данное устройство, принимают подачу S=0,1…3,0 мм/об [1]. Оптимальная подача S на один оборот деформирующего элемента не должна превышать - S=0,01…0,05 мм/об. Подачу на один оборот устройства определяют по формуле S=kS; где k - число деформирующих элементов.
Смазывающе-охлаждающей жидкостью при раскатывании служат: машинное масло, смесь машинного масла с керосином (по 50%), сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.
В качестве примера проводилась обработка отверстия гильзы цилиндра 130-1002021 на вертикально-хонинговальном станке мод. 3М83С, оснащенном данным устройством с деформирующими элементами в виде шариков - 8 шт. из стали ШХ15, опирающимися на штоки гидроцилиндров; панелью с электроконтактным датчиком - СП-231; автокалибром 8М-17729-02.
в
из
a
2
2
Материал обрабатываемой заготовки - отливки гильзы цилиндра - специальный чугун, имеющий химический состав (в %): С - 3,2…3,4; Si - 2,0…2,3; Mn - 0,5…0,8; Cr - 0,25…0,40; Ni - 0,10…0,25; Р≤0,20; S≤0,15; Fe - остальное. Механические свойства чугуна: 170…241 НВ; σ≥206 Н/мм; σ=432 Н/мм. Диаметр обрабатываемого отверстия ⌀100,56…⌀100,50 мм; шероховатость - R=0,32 мкм.
И
ПР
Ш
ПЛ
Режимы раскатывания: V=29 м/мин; подачу на один оборот инструмента определяли по формуле S=kS=8·0,05=0,4 мм/об; V=16,9 м/мин.
Значения технологических факторов выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность силового воздействия при обработке элементарной площадки обрабатываемой поверхности в диапазоне 6…10. Дальнейшее увеличение кратности осциллирующего воздействия не значительно влияет на эффективность обработки.
N
Величина силы статического поджатия деформирующих элементов к обрабатываемой поверхности составляла P≥400…500 Н. Величина хода штоков составляла - 7…13 мм.
Предлагаемый способ позволил повысить производительность в 1,5…2 раза, исключить операцию получистовой обработки благодаря улучшению шероховатости поверхности на 1…2 класса.
Статическая нагрузка в сочетании с вращательным и возвратно-поступательным движениями создают перекрестное движение деформирующих элементов. Благодаря этому облегчается деформация микронеровностей обрабатываемой поверхности, а прикладываемые силы активно перераспределяются в плоскости раскатывания и в несколько раз уменьшается сила трения.
Перекрестное движение со статическим нагружением интенсифицирует процесс раскатывания, при этом на обработанной поверхности формируется износостойкий регулярный микрорельеф с перекрестным направлением рисок и неровностями малой и однородной высоты.
Предлагаемый способ и реализующее его устройство с постоянным нагружением обеспечивает минимальную себестоимость изготовления заготовок благодаря простоте конструкции инструмента, не требующего специального генератора осциллирующих импульсов.
Предлагаемый способ позволяет повысить режимы и производительность обработки в несколько раз без ухудшения качества обработанной поверхности. Кроме того, в таких условиях стойкость инструмента возрастает в два и более раз по сравнению со стойкостью при традиционном раскатывании, облегчается деформация микронеровностей, уменьшается расход энергии на деформирование и трение.
Предлагаемый способ целесообразно и эффективно использовать при обработке заготовок малой жесткости из труднообрабатываемых материалов и сплавов.
Источники информации
1. Справочник технолога-машиностроителя, т.2, под ред. Косиловой А.Г., Москва, Машиностроение, 1985, с.383-397 - прототип.