СПОСОБ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
METHOD OF FLAT SURFACE STATIC-AND-IMPULSE STRENGTHENING

Изобретение относится к металлообработке и может быть использовано при упрочняющей обработке плоских поверхностей деталей методом поверхностного пластического деформирования (ППД).
Известен способ упрочнения плоских поверхностей, реализуемый устройством, состоящим из корпуса и эксцентрично установленных в нем головок, на беговых дорожках которых помещены деформирующие элементы, при этом, с целью повышения качества обработки, в корпусе выполнены криволинейные пазы, предназначенные для установки в них с возможностью перемещения и фиксации упомянутых головок, оси которых расположены на различных расстояниях от оси корпуса [1].
Недостатком известного способа является невозможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что снижает качество обработки, при этом способ отличается низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности, кроме того, способ отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования устройства, вырабатывающего импульсную нагрузку, и инструмента специальной формы, а также повышение качества обработки.
Поставленная задача решается предлагаемым способом статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей, при котором деформирующему инструменту, содержащему корпус с деформирующими элементами, сообщают вращательное движение, а заготовке - поперечное перемещение, причем корпус выполнен из плиты с кулачками, верхнего и нижнего сепараторов, в последних подвижно с возможностью продольного перемещения установлены деформирующие элементы, изготовленные в виде двухступенчатых стержней, на которых между упомянутыми сепараторами расположены пружины, обеспечивающие с возможностью регулирования статическую нагрузку, при этом импульсная нагрузка осуществляется за счет воздействия упомянутых кулачков на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения плиты, а величина импульсной нагрузки регулируется вылетом упомянутых кулачков из плиты.
Особенности обработки по предлагаемому способу поясняются чертежами.
им
На фиг.1 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ, продольный разрез, и схема упрочнения плоской поверхности заготовки; на фиг.2 - общий вид устройства; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - схема работы в режиме статического упрочнения, на деформирующий элемент не действует импульсная нагрузка; на фиг.5 - схема работы в момент начала касания кулачком деформирующего элемента; на фиг.6 - схема работы в режиме статико-импульсного упрочнения, в момент действия поперечной силы, вращающей сепараторы с деформирующими элементами относительно продольной оси; на фиг.7 - схема работы в режиме статико-импульсного упрочнения в момент действия максимальной импульсной Р нагрузки.
И
пр
Предлагаемый способ предназначен для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей деталей машин поверхностным пластическим деформированием. Способ реализуется устройством, установленным, например, в шпинделе вертикально-фрезерного станка (не показан), которому сообщается вращательное движение V относительно собственной продольной оси и натяг путем продольного ручного перемещения S, а заготовке - поперечная подача S.
Устройство имеет сборный корпус, состоящий из плиты 1, верхнего 2 и нижнего 3 сепараторов, и деформирующие элементы 4 (согласно фиг.1-2).
ст
ст
В верхнем 2 и нижнем 3 сепараторах, выполненных в виде дисков, по скользящей посадке в периферийных отверстиях установлены деформирующие элементы 4, которые изготовлены в виде двухступенчатых стержней, причем ступенью меньшего диаметра стержни установлены в верхнем сепараторе 2. Между сепараторами 2 и 3 на деформирующих элементах 4 установлены винтовые цилиндрические пружины сжатия 5, создающие статическую нагрузку Р упрочняющего воздействия деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность. Верхним торцом пружины 5 упираются в торец верхнего сепаратора 2, а нижним - в торец ступени большего диаметра деформирующих элементов 4. Сближением или удалением сепараторов друг от друга обеспечивается регулирование усилия статической нагрузки Р, которое производится с помощью винтов 6 и сменных распорных втулок 7.
пр
Верхний и нижний сепараторы 2 и 3 через свои центральные отверстия, в которых запрессованы втулки 8, играющие роль подшипников скольжения, с помощью оси 9 подвижно с возможностью вращения относительно центральной продольной оси соединены с плитой 1 устройства. Ось 9 жестко закреплена на центральной продольной оси в плите 1, а имеющаяся на оси 9 ступень 10 большего диметра служит упором, передающим продольное ручное перемещение S от хвостовика 11 и плиты 1 сепараторами 2 и 3.
В плите 1 расположены кулачки 12, в данной конструкции устройства они представлены в форме шариков. Плита 1 имеет цилиндрические глухие отверстия, в каждом из которых последовательно установлена пружина 13, шайба 14 и кулачок 12, которые удерживаются с помощью крышки 15 с отверстиями, жестко прикрепленной винтами 16 к плите 1. Пружина 13 с одной стороны упирается в дно отверстия плиты 1, а с другой через шайбу 14 в кулачок 12, который выступает из отверстия крышки 15 на величину h. К плите 1 сверху болтами 17 крепится конус 11, с помощью которого она монтируется в шпинделе станка.
Для того чтобы компенсировать погрешность установки устройства относительно поверхности заготовки, между конусом 11 и плитой 1 установлен центрирующий шар 18, а болты 17 контактируют с поверхностью фланца конуса 11 через резиновые втулки 19.
пр
ст
Работа по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Заготовка 20 крепится на столе станка, например, в тисках (не показаны). Устройство конусом 11 вставляется в шпиндель станка (не показан). Движением S шпинделя станка вниз конус 11, плита 1 выступом 10 оси 9 давят на верхний сепаратор 2, который через пружины 5 статически поджимает с необходимой силой Р деформирующие элементы 4 к упрочняемой поверхности.
ст
В результате этого действия осуществляется пластическое деформирование поверхности заготовки на величину α. При этом зазор между свободным торцем деформирующего элемента и поверхностью кулачка должен оставаться не более h. Величина зазора может быть обеспечена щупом, толщина которого не более h и который устанавливается между торцем деформирующего элемента 4 и кулачком при поджатии устройства к упрочняемой поверхности и затем вынимается перед включением вращения шпинделя станка.
и
дв
им
им
и
После статического поджатая устройства к упрочняемой поверхности положение шпинделя фиксируется и включается подача S стола с заготовкой, в результате чего заготовка начинает перемещаться в поперечном направлении относительно деформирующих элементов 4. Включается вращение V шпинделя, который вращает плиту 1, при этом кулачки будут ударять по свободным торцам деформирующих элементов 4 и развивать силу Р (фиг.5-6), одновременно сдвигая их по направлению вращения шпинделя с силой Р на некоторое расстояние L и вдавливая в упрочняемую поверхность с силой Р на величину а. Величина и направление силы Р зависят от формы кулачков, величины выступа их из плиты h, от жесткости кулачковых пружин 13, а частота импульсов - от скорости вращения V.
Кулачковые пружины 13 в отверстиях плиты выполняют функцию демпфирующих элементов, снижающих вибрационные нагрузки на всю конструкцию устройства и на станок.
На кинетическую энергию удара будет оказывать влияние угловая скорость движения деформирующих элементов 4 и сила их статического поджатая к упрочняемой поверхности. Количество переданной энергии удара в упрочняемую поверхность будет определяться формой ударных импульсов.
Устройство позволяет производить нагружение упрочняемой поверхности ударными импульсами различной формы.
Длительность ударных импульсов регулируется размерами поперечного сечения деформирующих элементов.
В отличие от известных схем упрочнения, когда удар осуществляется непосредственно деформирующим элементом и форма импульса регулируется только за счет изменения диаметра и длины деформирующих элементов, в данном устройстве форма импульса может изменяться за счет формы и размеров кулачков, что расширяет технологические возможности и упрощает конструкцию.
В отличие от известных устройств появляется возможность использования для нагружения деформирующих элементов не только цилиндрической, но и другой формы, например конической, гиперболической, торообразной и т.д., при этом кулачки могут быть в виде цилиндра с плоским торцом и с различными значениями угла наклона торца относительно продольной оси цилиндра; скругленным торцом с различным радиусом, вогнутым или выпуклым; фасонным (горообразным, гиперболическим и т.д.).
в
и
-1
Пример. Производили экспериментальную обработку - упрочнение предлагаемым способом плоской поверхности шириной 80 мм и длиной 590 мм на вертикально-фрезерном станке мод. 6Р13; упрочняли за один проход. Параметр шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки Ra=3,2 мкм. Параметр шероховатости обработанной поверхности готовой детали Ra=0,32 мкм. Материал заготовки - сталь 45, с пределом прочности σ=670 МПа. Станок оснащен устройством для активного контроля обрабатываемых заготовок. Обработку производили устройством, у которого плита имела наружный диаметр 130 мм, упрочняющие, деформирующие элементы располагались на диаметре 100 мм, диаметр деформирующих элементов - 15 мм, их количество - 8 шт. Обработка проводилась при следующих режимах. Частоту вращения плиты с кулачками принимали 50 мин, при этом скорость упрочнения составила V=15,7 м/мин, подача стола с заготовкой - S=250 мм/мин. Охлаждающая жидкость - эмульсия. Деформирующие элементы были изготовлены из сплава марки 38ХМЮА и после азотирования имели твердость 60…64 HRC. Затем их рабочая поверхность была отполирована до Ra=0,04…0,08 мкм. При осевой импульсной нагрузке 400-600 Н упрочнение поверхностного слоя доходило до 15…25%. Для обеспечения необходимого качества и размерной точности обработки потребовалось основного времени 2,4 мин, что в 2,5 раза быстрее, чем при обычном упрочнении. Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым способом, достигает 1,5…2,5 мм, что значительно (в 3…4 раза) больше, чем при традиционном статическом упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15…30%. В результате статико-импульсной обработки по сравнению с традиционным накатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 2…3 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7…2,2 раза.
Значения технологических факторов (частота ударов, величина амплитуды, величина подачи) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность ударного воздействия на элементарную площадку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6…10. Дальнейшее увеличение кратности деформирующего воздействия ведет к разупрочнению.
Упрочненный слой при традиционном статическом накатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий.
Предлагаемым способом аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного воздействия на очаг деформации пролонгированного импульса энергии. При близких степенях упрочнения поверхностного слоя величина статической составляющей нагрузки предлагаемым способом значительно меньше.
Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя статико-импульсной обработкой показали, что максимальные остаточные напряжения находятся близко к поверхности как при чеканке, что благоприятно для большинства сопрягаемых деталей механизмов и машин. Сравнение глубины напряженного и упрочненного слоя, градиента напряжений и градиента наклепа показывает, что глубина напряженного слоя в 1,1…1,3 раза больше, чем глубина наклепанного слоя, что согласуется с теорией поверхностного пластического деформирования.
Достигаемая в процессе обработки предлагаемым способом предельная величина шероховатости составляет Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 5 раз.
Микровибрации в процессе благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.
Достоинствами предлагаемого способа является возможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что повышает качество обработки; устройство, реализующее способ, отличается компактностью и высоким КПД, малой энергоемкостью (по сравнению с известными [2, 3]), достаточно большой глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности; способ отличается широкими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.
Предлагаемый способ расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования устройства, вырабатывающее импульсную нагрузку, и инструмента специальной формы, а также повышает качества обработки.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №944897, В24В 39/00. Устройство для упрочнения плоских поверхностей. Вишнев Н.В. и др. Заявка №2977796/25-08; 03.09.1980; 23.07.1982. Бюл. №27 - прототип.
2. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.
3. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. №34.