ОХВАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО НАКАТЫВАНИЯ РЕЗЬБЫ НА ЗАГОТОВКЕ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАРЕЗАННОЙ РЕЗЬБОЙ

Полезная модель относится к технологии машиностроения, к изготовлению инструмента для статико-импульсной отделочно-упрочняющей обработки резьбы пластическим деформированием, в частности к инструментам для упрочняющего накатывания наружной резьбы.
Известно устройство для статико-импульсного упрочнения винтов, содержащее корпус с центральным отверстием для заготовки, деформирующими элементами, бойком и волноводом виде втулки, снабженные гайкой, пластинчатыми пружинами с установленными на них деформирующими элементами и кулачки, обеспечивающие радиальное перемещение деформирующего элемента от волновода под действием периодической импульсной нагрузки [Патент RU 2383426, B24B 39/04, B21H 3/12, 2008 г].
Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, равномерности упрочненного слоя, низким КПД из-за большого количества составляющих элементов и невозможности формировать сложный профиль резьбовой винтовой поверхности низкой производительности обработки из-за большой инерционности устройства.
В способе статико-импульсного упрочнения винтов описано устройство для отделочно-упрочняющей обработки, содержащее корпус с центральным отверстием для расположения в нем заготовки, в котором расположены деформирующие элементы и волновод, выполненный в виде втулки, гайку и V-образные изогнутые пластинчатые пружины, с установленными на них деформирующими элементами, на средней части пружин закреплены кулачки, которые контактируют с волноводом, к которому с помощью бойка прикладывают периодическую импульсную нагрузку для радиального перемещения деформирующих элементов [Патент RU 2383427, B24B 39/04, B21H 3/12, 2008 г].
Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, равномерности упрочненного слоя, низким КПД из-за большого количества составляющих элементов и невозможности формировать сложный профиль резьбовой винтовой поверхности, низкой производительности обработки из-за большой инерционности устройства.
Известен охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащий охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с внутренней рабочей кольцевой резьбовой поверхностью, соответствующей профилю впадины резьбы готовой детали, установленное на предварительно нарезанной резьбе заготовки под углом, равным углу подъема накатываемой резьбы, с сообщением кольцу статической и динамической составляющих деформирующей силы [Патент RU 142563, B21H 3/02, 2014 г].
Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, равномерности упрочненного слоя, низким КПД из-за ограниченности поверхности контакта и низкой производительности обработки из-за большой инерционности устройства.
Известен охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы, состоящий из волновода и воздействующего на него бойка, связанного с генератором механических импульсов. Волновод выполнен в виде корпуса с вращающимся кольцом, установленным под углом, равным углу подъема накатываемой резьбы. Кольцо выполнено с внутренней кольцевой резьбовой поверхностью, содержащей заборный конус и цилиндрическую калибрующую часть. Кольцу сообщается статистическая и динамическая составляющие деформирующей силы [Патент RU 2280526, B21H 3/02, 2005 г].
Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения точной установки угла наклона волновода с кольцом при каждой новой детали с отличающимися параметрами резьбы, неточность установки приводит к увеличению погрешности шага резьбы, угла профиля и волнистости поверхности и низкой производительности.
Известен охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащий волновод с корпусом, боек, выполненный с возможностью воздействия на волновод и связанный с генератором механических импульсов, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с внутренней кольцевой резьбовой поверхностью и не менее шести деформирующими элементами в виде резьбонакатных роликов с углом резьбонакатной поверхности, соответствующей профилю впадины упрочняемой резьбы, равномерно расположенных по сепаратору, установленному внутри резьбонакатного кольца в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы на заготовке [Патент RU 149468, B21H 3/02, 2015 г].
Устройство отличается неравномерным распределением деформирующей силы между резьбонакатными роликами, что приводит к волнистости поверхности и низкой производительности, а наличие контакта рабочих кромок резьбонакатных роликов с охватывающим резьбонакатным кольцом приводит к их износу и уменьшению стойкости инструмента.
Наиболее близким техническим решением является охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащий волновод с корпусом, боек, выполненный с возможностью воздействия на волновод и связанный с генератором механических импульсов, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с деформирующими элементами в виде не менее трех резьбонакатных роликов, с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы и с радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы равномерно установленных с помощью цапф в прорезях резьбонакатного кольца с возможностью свободного вращения, самоподжима к заготовке и с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие, причем цапфы установлены в овальных отверстиях длиной равной 11-33 припускам, выполненных в резьбонакатном кольце перпендикулярно прорезям с наклоном к центру заготовки на величину припуска в сторону вращения заготовки [Патент RU 151510, B21H 3/02, 2015 г].
Устройство отличается овальными отверстиями в резьбонакатном кольце, в которых вращаются цапфы роликов, что приводит к малой площади контакта и высокому удельному давлению, не образуется масляный клин и возникает сухое трение, что приводит к износу цапф и овальных отверстий, уменьшается стойкость инструмента и снижается производительность. Кроме того наличие овальных отверстий, в которых вращаются цапфы роликов, вызывает вибрацию роликов при обкатке, что приводит к повышенной шероховатости и волнистости поверхности.
Задачей технического решения является разработка конструкции надежного инструмента, обеспечивающего точность параметров резьбы в процессе обработки заготовки.
Техническим результатом является повышение надежности инструмента, точности и производительности обработки, и снижение шероховатости деформируемой поверхности впадины резьбы.
Технический результат достигается охватывающим инструментом для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащим волновод с корпусом, боек, выполненный с возможностью воздействия на волновод и связанный с генератором механических импульсов, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с деформирующими элементами в виде трех резьбонакатных роликов с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы, и радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы равномерно установленных в прорезях резьбонакатного кольца с возможностью свободного вращения, поджима к заготовке и с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие, при этом резьбонакатное кольцо выполнено в виде разрезного пружинного кольца, снабженного на концах выступающими наружу от кольца губками с наружными клиновыми поверхностями, с возможностью продольного перемещения контактирующими с ответными исполнительными клиновыми поверхностями зубьев вилки волновода, причем резьбонакатные ролики установлены на неподвижных осях, перпендикулярных прорезям резьбонакатного кольца.
ст
имп
Предлагаемый охватывающий инструмент предназначен для статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания радиуса впадины резьбы на внешних резьбовых поверхностях деталей типа штоков, винтов и валов деформирующими элементами в виде трех резьбонакатных роликов с углом профиля, не больше угла профиля впадины готовой резьбы и радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы. Ролики, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы заготовки, распределены равномерно в прорезях резьбонакатного кольца, выполненного в виде разрезного пружинного кольца, и установлены на неподвижных осях с возможностью свободного вращения, и радиального поджима к заготовке и с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие. Разрезное пружинное кольцо разжимается разжимным винтом на величину 2·π припуска и после установки на заготовку освобождается и упругая энергия поджимает радиально ролики к заготовке силой P. Импульсная составляющая деформирующей силы P роликам передается от радиального волновода через исполнительные клиновые поверхности зубьев вилки волновода к наружным клиновым поверхностям губок разрезного пружинного кольца, и радиальная импульсная деформация которого передается через неподвижные оси к роликам, деформирующим заготовку.
Сущность конструкции инструмента поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой; на фиг. 2 представлен охватывающий инструмент вид А; на фиг. 3 представлена схема статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на заготовке заявленным охватывающим инструментом для расчета высоты микронеровностей поверхности Rz после обработки; на фиг. 4 представлена схема статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на заготовке заявленным охватывающим инструментом для расчета усилия и энергии деформации впадины резьбы.
Охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой содержит волновод 1 с корпусом, боек (не показан), выполненный с возможностью воздействия на волновод 1 и связанный с генератором механических импульсов (не показан), и охватывающее заготовку 2 резьбонакатное кольцо 3, выполненное в виде разрезного пружинного кольца, снабженного на концах выступающими наружу от кольца губками 4. Губки 4 разрезного пружинного кольца 3 зафиксированы между зубьями вилки 5 волновода 1, образуя две контактирующие пары: губка 4 разрезного пружинного кольца 3 - зуб вилки 5 волновода 1. При этом наружные клиновые поверхности 6 губок 4 кольца 3 (с углом α) контактируют с ответными исполнительными клиновыми поверхностями 7 зубьев вилки 5 волновода 1 с возможностью продольного перемещения относительно друг друга.
ст
имп
Охватывающее заготовку 2 резьбонакатное кольцо 3 снабжено деформирующими элементами в виде трех резьбонакатных роликов 8 с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы, и радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы, в соответствии с шагом P предварительно нарезанной резьбы равномерно установленных по винтовой поверхности с углом подъема ψ в прорезях 9 резьбонакатного кольца 3 на неподвижных осях 10, перпендикулярных прорезям 9 резьбонакатного кольца 3 с возможностью свободного вращения, поджима к заготовке 2 и с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую P и динамическую P составляющие.
Одна из губок 4 разрезного пружинного кольца 3 снабжена резьбовым отверстием 11 для отжимного винта.
Заготовка 2 установлена в самоцентрирующем трехкулочковом патроне 12 токарного станка.
Предлагаемый охватывающий инструмент работает следующим образом:
ст
Заготовка 2 устанавливается в самоцентрирующем трехкулочковом патроне 12 токарного станка. Перед установкой охватывающего инструмента на заготовку 2 отжимной винт вкручивается в винтовое отверстие 11 до разжатия губок 4 на величину 2π припуска (раскрытие разрезного пружинного кольца 3), затем разрезное пружинное кольцо 3 навинчивается на резьбу заготовки 2 и освобождается отжимным винтом (отжимной винт удаляется из винтового отверстия 11), в результате чего резьбонакатные ролики 8 поджимаются к заготовке статической составляющей деформирующей силы P. Губки 4 разрезного пружинного кольца 3 фиксируются между зубьями вилки 5 волновода 1.
имп
Подвод импульсной составляющей деформирующей силы P от генератора механических импульсов (не показан) посредством поджимающегося волновода 1, подпружиненного бойком (не показан) к резьбонакатным роликам 8 осуществляется через постоянный контакт наружных клиновых поверхностей 6 губок 4 разрезного пружинного кольца 3 с ответными исполнительными клиновыми поверхностями 7 зубьев вилки 5 волновода 1.
ст
имп
Заготовка 2 вращается с угловой скоростью ω. Резьбонакатное кольцо в виде разрезного пружинного кольца 3 получает движение продольной подачи S, равное шагу резьбы P. Свободно вращающиеся ролики 8 воздействуют на заготовку 2 деформирующей силой, имеющей статическую P и динамическую P составляющие, получаемые от упругой энергии разрезного пружинного кольца 3 и импульсов генератора механических импульсов.
Таким образом, для резьбонакатных роликов 8 обеспечивается свободное вращение на неподвижных осях 10, импульсное воздействие и поджим к заготовке - одновременно.
Для центрирования инструмента на предварительно нарезанной резьбе минимально достаточно трех резьбонакатных роликов 8, т.к. окружность определяется тремя точками.
Условие самоторможения клиновой поверхности по двум плоскостям можно рассчитать из неравенства
где α - угол клина;
φ - угол трения, , где  - коэффициент трения скольжения со смазкой стали по стали;
α≤11°
Величина предварительного разжима разрезного пружинного кольца 3 для обеспечения деформации впадины резьбы подсчитывается по формуле
где t - глубина вдавливания ролика во впадину резьбы (припуск на обработку);
Величина l перемещения исполнительных клиновых поверхностей 7 зубьев вилки 5 волновода 1 по наружным клиновым поверхностям 6 губок 4 для обеспечения постоянного контакта клиновых поверхностей при деформации радиуса впадины резьбы подсчитывается по формуле:
Поверочный расчет разрезного пружинного кольца 3.
Определение допустимой силы разжима разрезного пружинного кольца 3:
a
a
где  - толщина кольца, мм =10 мм;
b - ширина кольца, мм b=30 мм;
R - средний радиус пружинного кольца, мм R=60 мм;
2
[σ] - допустимое напряжение изгиба, [σ]=172 кгс/мм;
Определение допустимого увеличения радиуса разрезного пружинного кольца 3:
где [P] - допустимая сила разжима, кгс [P]=3969 кгс;
2
E - модуль нормальной упругости кгс/мм;
Увеличения радиуса разрезного пружинного кольца 3 должно быть более припуска:
t
После разжима разрезное пружинное кольцо 3, которое поджимает ролики 8 к заготовке силой P, которую можно рассчитать по формуле:
Усилие разрезного пружинного кольца 3 поджима роликов 8 к заготовке 2 должно быть более необходимой силы поджатия ролика 8 к заготовке 2 для деформации радиуса впадины резьбы
Расчет необходимой мощности привода вращения заготовки 2 показан ниже.
1
2
Сопротивление вращению заготовки 2 представляют силы трений F ролика 8 по заготовке 2, F по неподвижной оси 10 разрезного пружинного кольца 3:
где  - коэффициент трения качения, м;
- коэффициент трения скольжения;
р
d - диаметр ролика, м;
ст
P - сила поджатая ролика к заготовке, Н.
кр
Тогда момент вращения заготовки M для преодоления сил трения
где n - количество роликов;
ц
d - диаметр неподвижных осей, м;
3
d - диаметр впадины резьбы с радиусом закругления R, м.
1
d - внутренний диаметр резьбы, м;
∂
Мощность N, необходимую для обработки, можно посчитать по формуле
з
-1
где n - число оборотов заготовки мин;
η - кпд привода станка η=0,85-0,95;
эл
N - мощность электродвигателя привода станка, кВт.
Из схемы статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на заготовке можно установить зависимость высоты микронеровностей поверхности Rz после обработки от параметров режимов обработки. Поскольку работают одновременно n роликов 8, то шероховатость уменьшится в n раз.
где Rz - высота микронеровностей;
р
d - наружный диаметр ролика 8, м;
имп
-1
n - число (частота) импульсов, мин;
з
-1
n - число оборотов заготовки мин.
n - количество роликов.
По приведенной формуле, задаваясь частотой импульсов, числом оборотов заготовки и количеством роликов, можно определить высоту микронеровностей после статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания радиуса впадины резьбы заготовки и сравнить с допустимой.
Из схемы, приведенной на Фиг. 4, можно рассчитать зависимость энергии удара, прикладываемого к инструменту, от глубины деформации. Поскольку в работе участвуют n роликов одновременно, то необходимая энергия импульса инструмента в n раз больше
где G - энергия удара ролика, Дж;
2
HB - твердость заготовки по Бринеллю Н/м;
d - наружный диаметр резьбы, м;
1
d - внутренний диаметр резьбы, м;
3
d - диаметр впадины резьбы с радиусом закругления, м;
R - радиус закругления впадины резьбы, м;
р
d - наружный диаметр ролика 8;
t - глубина вдавливания ролика во впадину резьбы (припуск на обработку);
α - угол профиля метрической резьбы;
р
α - угол профиля ролика;
n - количество роликов.
По приведенным формулам, задаваясь глубиной деформации, твердостью заготовки, диаметром роликов, радиусом впадины резьбы и количеством роликов, можно определить требуемую энергию генератора импульсов инструмента для статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы заготовки.
Пример.
эл
При испытаниях заготовку из стали 40ХНМ2А твердостью НВ 226-253, с предварительно нарезанной резьбой М90×4 с припуском t=0,5 мм закрепили в трехкулочковом самоцентрирующем патроне токарного станка модели 1М63Н, мощность электродвигателя привода станка N=11 кВт. Условие по мощности привода станка выполняется:
.
р
Г
Г
-1
-1
В резцедержателе закреплен генератор механических импульсов (отбойный молоток с частотой импульсов n=4200 мин и энергией удара G=3,9 Дж, условие по энергии удара выполняется G=3·2459·0,0005=3,69≤G=3,9 Дж) в бойке предварительно напряженном на величину l=16,3 мм установлен волновод. Резьбонакатное кольцо виде разрезного пружинного кольца из Стали 70 ГОСТ 14959-79 с установленными в его прорезях трех роликов диаметром 30 мм из сталь ХВГ с углом профиля 60° и радиусом у вершины R=0,58 мм, диаметр оси 9 мм равномерно расположенными по периметру резьбонакатного кольца накручивается после предварительного разжима винтом на заготовку с предварительно нарезанной резьбой с углом профиля 60°. Частота вращения шпинделя станка, в котором закрепляется обрабатываемая заготовка резьбы n=10 мин, подача, равная шагу резьбы S=P=4 мм/об. Расчетная высота микронеровностей поверхности Rz после обработки:
a
a
или R=0,13 мкм, что меньше заданного параметра шероховатости поверхности резьбы R=0,2 мкм.
Испытаниями установлено, что производительность процесса повышается в 1,5 раза по сравнению со статико-импульсным накатыванием резьбы охватывающим инструментом. Размеры резьбы соответствуют требованиям точности 6g. Увеличение микротвердости и прочности наклепанного слоя составило в среднем 28%.
Таким образом, предлагаемый охватывающий инструмент для упрочнения наружной резьбы прост в реализации, не сложен в конструкции, надежен в эксплуатации и позволяет повысить точность изготовления резьбы, снизить высоту микронеровностей и повысить производительность обработки. Получаемый с его помощью упрочненный слой обладает повышенной твердостью и сопротивлением усталостному разрушению.