УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО УПРОЧНЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
DEVICE FOR PULSED HARDENING OF GEAR WHEELS

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки заготовок из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием в холодном состоянии с импульсным нагруженном инструмента - накатника.
Известно устройство и специальный станок мод. Ст-1071, изгот. ЗИЛ [1] для поверхностного пластического деформирования, упрочнения и калибрования зубчатых колес, в котором три накатника, выполненные в виде закаленных эталонных зубчатых колес, расположены под углом 120° один к другому, с определенным статическим усилием прижимаются к сырой заготовке обрабатываемого зубчатого колеса и обкатываются с ней. Одно эталонное зубчатое колесо является ведущим и имеет принудительное вращение. Заготовка получает вращение от ведущего эталонного колеса, а два других эталонных колеса - от заготовки [2].
Известное устройство отличается недостаточной эффективностью процесса обработки, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности. ограниченными возможностями регулирования шероховатости поверхности, а также ограниченными технологическими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей за счет совмещения обработки поверхностным пластическим деформированием с импульсным нагруженном деформирующих элементов и оригинальной конструкции инструмента, позволяющей управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности, а также повышать качество обрабатываемой поверхности и производительность обработки.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для поверхностного пластического деформирования, импульсного упрочнения и калибрования зубчатых колес и содержащее накатник, выполненный в виде эталонного зубчатого колеса, причем накатник-колесо является сборной конструкцией и состоит из отдельных дисков в виде тарельчатых пружин, у которых периферия является усеченным конусом, при этом пружины набраны в пакет попарно зуб к зубу большими основаниями конусов друг к другу, причем пружины базируются центральным отверстием на полом валу по скользящей посадке и удерживаются от проворота относительно полого вала стопорными штифтами, жестко закрепленными с одного торца полого вала, при этом со стороны другого торца на полом валу расположен ударник в виде втулки, который одним торцом контактирует с пакетом пружин, а другой торец ударника играет роль поршня и расположен в гидроцилиндре, жестко установленном на полом валу.
Особенности конструкции и работы устройства поясняются чертежами.
На фиг.1 представлено устройство для импульсного упрочнения зубчатых колес в положении, когда импульсная нагрузка не действует и деформирующие тарельчатые пружины находятся в свободном состоянии, частичный продольный разрез; на фиг.2 - то же, когда импульсная нагрузка действует на пакет деформирующих тарельчатых пружин, которые находятся в сжатом рабочем положении; на фиг.3 - совмещенный чертеж устройства в свободном состоянии (выше центральной продольной оси) и в рабочем сжатом положении (ниже центральной продольной оси); на фиг.4 - часть деформирующей тарельчатой пружины, вид с торца, где тонкой линией показано положение зубьев в рабочем состоянии при действии импульсной нагрузки; на фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.4, где тонкой линией показано положение зубьев в рабочем состоянии при действии импульсной нагрузки; на фиг.6 - второй вариант деформирующей тарельчатой пружины с радиальными пазами, позволяющими уменьшить ее жесткость; на фиг.7 - второй вариант установки деформирующих тарельчатых пружин в пакете однообразно; на фиг.8 - вид по А на фиг.7; на фиг.9 - схема импульсного упрочнения зубчатых колес с помощью предлагаемого устройства на зубошевинговальном станке; на фиг.10 - сечение В-В на фиг.4
Предлагаемое устройство предназначено для поверхностного пластического деформирования, импульсного упрочнения и калибрования зубчатых колес 1, например на зубошевинговальном станке (см. фиг.9). Устройство содержит накатник 2, выполненный в виде эталонного зубчатого колеса.
Накатник-колесо 2 является сборной конструкцией и состоит из отдельных дисков 3 в виде тарельчатых пружин, у которых периферия является усеченным конусом, средняя часть ступица - плоская, а в центре отверстие. На конической части тарельчатых пружин 3 нарезаны зубья с таким же модулем, как у заготовки.
Тарельчатые пружины 3 набраны в пакет попарно зуб к зубу большими основаниями конусов друг к другу, причем тарельчатые пружины базируются центральным отверстием на полом валу 4 по скользящей посадке и удерживаются от проворота относительно полого вала 4 стопорными штифтами 5, жестко закрепленными с одного торца полого вала. Отверстие полого вала предназначено для посадки и крепления устройства, например, на шпинделе зубошевинговального станка (не показан).
На полом валу 4 со стороны другого торца расположен ударник 6 в виде втулки, который одним торцом контактирует с пакетом тарельчатых пружин 2, а другой торец ударника играет роль поршня и расположен в гидроцилиндре 7, жестко установленном на полом валу 4. Гидроцилиндр 7 состоит из цилиндра и крышки 8, на которой с внутренней стороны установлен амортизатор 9 в виде резинового кольца.
им
Предлагаемое устройство служит для поверхностного пластического деформирования, упрочнения и калибрования рабочей поверхности зубчатых колес 1 с использованием периодической импульсной нагрузки Р, воздействующей на обкатывающий инструмент - накатник 2.
им
им
Периодическое импульсное нагружение Р осуществляется с помощью гидравлического генератора импульсов (не показан) [3-5], который питает гидроцилиндр 7. Гидравлический генератор импульсов (ГГИ) позволяет плавно изменять величину и частоту пульсации нагрузки в зависимости от требуемой глубины наклепа и необходимого качества поверхности. Импульсное нагружение Р осуществляется посредством удара ударника 6 по торцу пакета тарельчатых пружин 3.
им
им
max
Ударник 6 воспринимает перепады давления масла - импульсы, вырабатываемые ГТИ и поступающие в гидроцилиндр 7, и передает периодическую импульсную нагрузку Р в виде удара по пакету 2 тарельчатых пружин. При перемещении ударника 6 справа налево, согласно фиг.2-3, тарельчатые пружины 3 воспринимают на себя периодическую импульсную нагрузку Р, благодаря которой они перемещаются в продольном направлении к левому торцу полового вала и их конические части, выполненные в виде зубьев, прогибаются, приближаясь к плоскости ступиц тарельчатых пружин (фиг.5). Угол наклона α зубьев конической части уменьшается, а наружный диаметр тарельчатой пружины увеличивается до максимального значения D.
Как вариант конструкции, накатник может быть набран из зубчатых тарельчатых пружин, расположенных однообразно (см. фиг.7).Это позволяет уменьшить продольный ход L ударника, но требует установки дополнительной зубчатой шайбы 10, установленной между ударником и пакетом тарельчатых пружин.
С целью уменьшения трения и повышения износостойкости сборного накатника между тарельчатыми пружинами установлены шайбы 11, например, из фторопласта или другого антифрикционного материала.
Острые кромки деформирующих элементов пружин - зубьев, непосредственно контактирующих с обрабатываемой поверхностью заготовки, выполнены закругленными с радиусом R=H/2, где Н - толщина тарельчатых пружин, мм (см. фиг.10).
Режим импульсного обкатывания расширяет технологические возможности приспособления и дает возможность оптимального подбора параметров упрочняющей обработки зубчатой поверхности.
Данное упрочнение зубьев, так же как и шевингование, предназначено для чистовой обработки зубьев цилиндрических зубчатых колес внешнего зацепления. В отличие от шевингования окончательная обработка профиля зубьев осуществляется без снятия стружки путем пластического деформирования металла в холодном состоянии.
и
поп
им
max
В процессе упрочнения предлагаемым накатником, выполненным сборным из тарельчатых пружин в виде зубчатого колеса с импульсным нагружением, обкатывают заготовку с предварительно обработанными зубьями, расположенными на параллельных осях. Вращающийся со скоростью V накатник, перемещаясь с подачей S к заготовке, при достижении беззазорного зацепления начинает процесс упрочнения под определенной силой. Расстояние между осями накатника и детали постепенно уменьшается до получения требуемого размера зубьев колеса. Во время прикатывания на зубья накатника действует импульсная нагрузка Р, которая перемещает их в продольном направлении и вызывает увеличение наружного диаметра D накатника. То есть имеет место взаимное скольжение, которое вызывает на сторонах зубьев заготовки сдвиг металла.
Сущность процесса заключается в том, что зубья накатника, состоящие из деформирующих тарельчатых пружин, изготовлены так, что толщина по делительному диаметру больше толщины зуба по делительному диаметру обкатываемого колеса на двойную величину натяга, принимаемого 0,1…1,0 мм.
Предлагаемое устройство позволяют эффективно обкатывать зубчатые поверхности, совмещая предварительный, получистовой и чистовой переходы. За счет этого сокращается машинное время обработки, увеличивается производительность, достигается более высокое качество обработки.
Ширина зубчатого венца сборного накатника перекрывает ширину венца обрабатываемых колес; зуб накатника для компенсации бокового зазора сделан толще. По мере износа колеса-накатника его несколько раз перешлифовывают.
Работа устройства сборным накатником может выполняться в двух режимах: с импульсным нагруженном и без него.
Деформирующие элементы накатника при импульсном обкатывании оставляют следы сглаживания шероховатостей поверхности и упрочнение поверхностного слоя металла вдоль и поперек направления зуба. Безударное обкатывание - это режим обкатывания, когда ГТИ отключен, оставляет следы сглаживания шероховатостей и упрочнение поверхностного слоя металла поперек направления зуба.
Пример. Проводилась обработка цилиндрического колеса (z=26; тп=2,54 мм) на зубошевинговальном станке мод. 5702В с накатником предлагаемой конструкции. По сравнению с шевингованием предлагаемое импульсное упрочнение позволило увеличить производительность в 4…5 раз, уменьшить параметр шероховатости поверхности на профилях зубьев до Ra=0,32 мкм, снизить уровень звукового давления на 3…5 дБ, повысить стабильность размеров зубчатого зацепления и качество. Стойкость накатников составляла 27500 заготовок, время упрочнения колеса 25 с. Зубья упрочненных колес во время термической обработки вследствие более однородной структуры поверхностных слоев деформируются меньше, чем шевингованные. Точность зубчатых колес перед упрочнением должна быть выше, а припуск на сторону зуба меньше, чем перед шевингованием, наполовину.
им
Зубчатые деформирующие тарельчатые пружины накатника под действием мгновенной импульсной нагрузки Р производят выглаживающее действие и пластически деформируют обрабатываемую поверхность.
В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,1…0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8…3,2 мкм. Твердость поверхности увеличивается на 30…80% при глубине наклепанного слоя 0,3…3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 350…750 мПа.
Достоинствами предлагаемого устройства являются: уменьшение погрешности предшествующей обработки; многоэлементность устройства позволяет отказаться от многопроходности обработки, за счет чего достигается более высокое качество обработки за минимальное количество проходов; образование определенной макро- и микрогеометрической формы обработанной поверхности, уменьшение параметра шероховатости - сглаживание поверхности, изменение структуры материала за счет поверхностного наклепа и создание определенного напряженного состояния - все это благоприятно действует на износостойкость.
им
Периодическую импульсную нагрузку Р осуществляют с помощью ГГИ, связанного с ударником, который воздействует на накатник, при этом проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы деформации, которая интенсифицирует процесс поверхностного пластического деформирования и упрочняет поверхностный слой обрабатываемой поверхности. Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами инструмента.
Для повышения шероховатости поверхности зубьев и для предотвращения задиров применяют охлаждающую жидкость, состоящую из 4 частей керосина к одной части машинного масла.
В процессе обкатывания происходит сглаживание шероховатостей - следов обработки зуба заготовки резанием и упрочнение поверхностного слоя металла по всему профилю зуба. При этом твердозакаленные, тщательно отделанные с высокой точностью зубья сборного накатника калибруют зубья заготовки по профилю и размерам. Исправление профиля и размеров зуба заготовки осуществляется в небольших пределах, главным образом за счет смятия шероховатостей исходной поверхности и выравнивания микропрофиля.
Источники информации
1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1 / Под ред В.М.Кована. - 2-е изд. перераб. и доп.- М.: Машгиз (ГНТИМЛ), 1963, с.409-410, фиг.302.
2. Шнейдер Ю.Г. Холодная бесштамповая обработка точных деталей давлением. - М.: МАШГИЗ, 1960, с.236-238.
6
3. Патент РФ 2098259, МКИ В24В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. №96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. №34.
4. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.
5. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. №34.