УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО УПРОЧНЕНИЯ ВАЛОВ
DEVICE FOR SHAFT PULSED SURFACE HARDENING

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) со статико-импульсным нагруженном деформирующих элементов.
Известно устройство для упрочняющей обработки, состоящее из вибратора возвратно-продольных колебаний деформирующего элемента и кулачка, приводимого во вращение от электродвигателя через бесступенчатый редуктор, и предназначенного для возбуждения поперечных колебательных движений этого деформирующего элемента [1].
Устройство отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.
Известно устройство для ударного вибронакатывания, содержащее корпус, сепаратор с деформирующим элементом, опору в виде гладкого ролика, установленную в корпусе с возможностью вращения, при этом оно снабжено приводом опоры и упругим элементом, один конец которого закреплен на корпусе, а другой на сепараторе [2].
Устройство отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.
Известен генератор механических импульсов (ГМИ) для вибрационного статико-импульсного упрочнения, отличающийся независимым регулированием энергии и частоты ударов [3, 4]. В конструкцию ГМИ входят: волновод с закрепленным на нем деформирующим элементом и боек, которые расположены в корпусе, гидроцилиндр статического воздействия на корпус, гидродвигатель, вращающий золотник кранового распределителя, редукционный клапан и дроссель.
Известный ГМИ представляет собой весьма сложную, дорогостоящую, металлоемкую и энергоемкую конструкцию, которая значительно увеличивает себестоимость изготовления обрабатываемых деталей.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, при минимальной энергоемкости и трудоемкости изготовления оснастки путем использования устройства имеющее кулачки, набегающие на деформирующие элементы.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного упрочнения цилиндрических поверхностей валов, состоящего из корпуса в виде диска с центральным отверстием для расположения в нем обрабатываемой заготовки, и установленных в корпусе деформирующих элементов, при этом в корпусе выполнены радиально расположенные отверстия, в которых установлены деформирующие элементы в виде ступенчатых стержней с надетыми на них винтовыми цилиндрическими пружинами сжатия, стремящиеся развести деформирующие элементы от центра к периферии, при этом на наружной цилиндрической поверхности и внутренней поверхности отверстия корпуса закреплены кольца, в которых имеются отверстия для расположения в них наконечников деформирующих элементов, причем кольца ограничивают радиальные перемещения деформирующих элементов, кроме того, соосно корпусу с возможностью вращения относительно продольной оси коаксиально размещено кулачковое кольцо, которое охватывает корпус, установлено на подшипнике на торце корпуса и имеет свой индивидуальный привод вращения, при этом внутренняя поверхность кулачкового кольца представляет собой впадины и ступенчатые выступы, набегая которыми на наконечники деформирующих элементов осуществляют статическое и импульсное воздействия на обрабатываемую поверхность.
Особенности конструкции и работы предлагаемого устройства поясняются чертежами.
На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез и схема упрочнения цилиндрической поверхности заготовки вала; на фиг.2 - общий вид по А на фиг.1, вид с торца устройства; на фиг.3 - общий вид по Б на фиг.1, вид с другого торца устройства; на фиг.4 - общий вид устройства; на фиг.5 - вариант конструкции кулачкового кольца; на фиг.6 - вариант схемы наладки для упрочнения валов меньшего диаметра, чем отверстие в корпусе; на фиг.7 - схема положения деформирующего элемента при загрузке, выгрузке и холостом ходе; на фиг.8 - схема положения деформирующего элемента при работе в статическом режиме; на фиг.9 - схема положения деформирующего элемента при работе в статическом режиме с максимальной статической нагрузкой; на фиг.10 - схема положения деформирующего элемента при работе устройства в импульсном режиме.
3
ПР
ИМ
П
Предлагаемое устройство предназначено для статико-импульсного упрочнения цилиндрических поверхностей валов поверхностным пластическим деформированием (ППД). Устройство устанавливается, например, на суппорте токарного станка (не показан), заготовке вала 1, закрепленной в патроне 2 и поджатой задним центром, сообщается вращательное движение V относительно собственной продольной оси, устройству - продольная подача S, а деформирующим элементам 3 - импульсная нагрузка Р в поперечном направлении S.
Предлагаемое устройство состоит из корпуса 4 в виде диска с центральным отверстием для расположения в нем обрабатываемой заготовки 1 и установленных в корпусе деформирующих элементов 3. С этой целью в корпусе 4 выполнены радиально расположенные отверстия 5, в которых установлены деформирующие элементы 3 в виде ступенчатых стержней.
На стержни деформирующих элементов 3 надеты винтовые цилиндрические пружины сжатия 6, стремящиеся развести деформирующие элементы от центра к периферии.
На наружной цилиндрической поверхности корпуса 4 и на внутренней поверхности отверстия корпуса закреплены кольца 7 и 8, соответственно, в которых имеются отверстия для расположения в них наконечников деформирующих элементов 3. Кольца 7 и 8 ограничивают радиальные перемещения деформирующих элементов 3.
Соосно корпусу 4 с возможностью вращения относительно продольной оси коаксиально размещено кулачковое кольцо 9, которое охватывает корпус. Кулачковое кольцо 9 установлено на подшипнике 10 на торце корпуса 4 с помощью шкива 11 и фланца 12. Неподвижный фланец 12, который несет на себе неподвижное внутреннее кольцо подшипника 10, жестко закреплен на торце корпуса 4 болтами 13. Наружным кольцом подшипник 10 смонтирован в отверстии шкива 11, последний жестко закреплен на торце кулачкового кольца 9 болтами 14. Шкив 11 является ведомым в клиноременной передаче от индивидуального электродвигателя (не показан) привода вращения кулачкового кольца 9.
СТ
ИМ
Внутренняя поверхность кулачкового кольца 9 представляет собой впадины 15 и ступенчатые выступы 16, набегая которыми на наконечники деформирующих элементов 3, осуществляют статическое Р и импульсное Р воздействия на обрабатываемую поверхность.
СТ
СТ
min
Деформирующие элементы 3 одним торцом контактируют с выступами 16, а другим - с обрабатывающей поверхностью заготовки вала 1. Для обеспечения статической нагрузки Р, оказываемой деформирующими элементами 3 на обрабатываемую поверхность, кулачковое кольцо 9 устанавливается так, что деформирующие элементы 3 контактируют с выступами, расположенными на D, при этом кулачковое кольцо 9 неподвижно. Если деформирующие элементы 3 контактируют с выступами кольца 9, расположенными на D, при этом кулачковое кольцо 9 неподвижно, то устройство развивает максимальную статическую нагрузку . Эти положения деформирующих элементов при неподвижном кулачковом кольце обеспечивают статический режим работы устройства.
ИМ
ИК
ИМ
Импульсная нагрузка Р осуществляется при вращении кулачкового кольца 9 за счет воздействия выступов 16 на деформирующие элементы 3 с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения кулачкового кольца V, а величина импульсной нагрузки Р обеспечивается высотой h выступа 16 относительно впадины 15. Вращение кулачкового кольца обеспечивает импульсную нагрузку и создает импульсный режим работы устройства.
При расположении наконечников деформирующих элементов 3 против впадин 15 кулачкового кольца 9 деформирующие элементы максимально разведены от центра и не контактируют с обрабатываемой заготовкой - это режим загрузки, выгрузки и холостого хода.
Предлагаемое устройство устанавливается, например, на суппорте токарного станка (не показаны) и крепится к нему с помощью кронштейна 17, который жестко соединен с корпусом 4.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Заготовка вала крепится, например, в токарном патроне токарного станка (не показан). Устройство устанавливается на суппорте станка (не показан). В центральное отверстие устройства вводится заготовка и поджимается центром задней бабки. При этом деформирующие элементы максимально разведены от центральной продольной оси, так как их наконечники расположены во впадинах кулачкового кольца. Деформирующие элементы не касаются поверхности заготовки.
3
СТ
min
ПР
CT
сm
Включают вращение заготовки V. Для работы в статическом режиме вручную поворачивают кулачковое кольцо 9 на некоторый угол пока наконечники деформирующих элементов не окажутся на выступах, расположенных на D или на выступах, расположенных на D. Затем включают продольную подачу S и производят упрочнение с постоянной статической нагрузкой P или . При этом привод вращения кулачкового кольца не включен. В результате этого действия осуществляется статическое пластическое деформирование поверхности заготовки на величину α или , соответственно.
ИМ
ИК
ИМ
ИМ
им
Импульсный режим ППД, характеризуемый наличием ударной нагрузки Р, осуществляется при вращении кулачкового кольца за счет воздействия выступов на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения кулачкового кольца V, а величина импульсной нагрузки Р обеспечивается высотой выступа относительно впадины. Выступы кольца набегают на наконечники деформирующих элементов и ударяют с силой Р, вдавливая их в упрочняемую поверхность на величину α.
ИМ
ИК
Величина силы Р зависит от формы и величины выступов h, от жесткости пружин, охватывающих деформирующие элементы, а частота импульсов - от скорости вращения кольца V. Пружины, охватывающие деформирующие элементы, дополнительно выполняют функцию демпфирующих элементов, снижающих вибрационные нагрузки на всю конструкцию предлагаемого устройства и на станок.
На кинетическую энергию удара оказывает влияние угловой скорости движения кулачкового кольца и сила статического поджатия деформирующих элементов 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 определяется размерами площадки выступов кольца, с которой контактируют деформирующие элементы.
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 выступов, что расширяет технологические возможности и упрощает конструкцию устройства.
Предлагаемое устройство позволяет вести обработку валов, размеры которых меньше внутреннего диаметра, на котором расположены рабочие наконечники деформирующих элементов (см. фиг.6). В этой схеме настройки не все деформирующие элементы одновременно участвуют в работе. Эксцентричное смещение центральной продольной оси устройства относительно оси заготовки делает устройство универсальным, что позволяет расширить номенклатуру обработки валов, однако, одностороннее воздействие ударной нагрузки ведет к прогибу обрабатываемой заготовки и появлению вибраций, в результате чего может привести к снижению качества обработки.
Глубина упрочненного слоя обработанного предлагаемым устройством 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 предлагаемым устройством 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.
Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки вала на токарном станке с использованием предлагаемого устройства. Значения технологических факторов (частоты ударов, величины продольной и поперечной подач и др.) 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.
сm
им
Величины сил статической импульсной нагрузки деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность составляли Р≥25…40 кН; Р=255…400 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость «сырых» образцов 270…280 HV. Глубина упрочненного статико-импульсной обработкой слоя в 3…4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном статическом обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. Предлагаемым устройством 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 устройством 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 ППД.
a
Достигаемая в процессе обработки предлагаемым устройством предельная величина шероховатости составляет R=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.
Микровибрации в процессе, реализуемом предлагаемым устройством, благоприятно сказываются на условиях работы деформирующих элементов. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей деформирующих элементов и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность элементов 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 деформирующих элементов и заготовки.
Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности.
Достоинствами предлагаемого устройства является возможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что повышает качество обработки; устройство отличается компактностью и высоким КПД, малой энергоемкостью (по сравнению с известными [2-4]), достаточно большой глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности; устройство отличается широкими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.
Источники информации
1. А.с. СССР 366062, МПК B24B 39/00. Способ упрочнения поверхности металлических деталей. Г.М.Азаревич. 1616331/25-8. 07.12.1970; 10.01.1973.
2. А.с. СССР 1238952, МПК B24B 39/00. Устройство для ударного вибронакатывания. Ю.Г.Шнейдер, Б.Н.Букин, Г.Р.Круглов. 3818752/25-27. 04.12.1984; 23.06.1986 - прототип.
3. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, № 6. - С.20-24.
4. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл.34.