СТАТИКО-ИМПУЛЬСНЫЙ ДАВИЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ
STATIC PULSE SPINNING TOOL

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к инструменту для формовки рельефа на полых изделиях, а также для ротационной вытяжки и давильной обработки оболочек.
Известны конструкции давильных роликов, характер протекания процесса обработки которыми зависит от радиуса округления и ширины пояска [1]. Однако недостатком известных давильных роликов является сложность восстановления формы в результате износа, так как для этого необходимо перешлифовывать все внешние поверхности с изменением радиусов шлифовки для сохранения сопряжения радиусов. При этом требуется внесение коррективов в технологические режимы. Кроме того, недостатком является их малая контактная поверхность, взаимодействующая с деталью, не обеспечивающая высокой шероховатости отделки обрабатываемой поверхности, обуславливающая низкое качество поверхности и требующая большого количества технологических переходов, что резко снижает производительность.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей, увеличение контактной поверхности, взаимодействующей с заготовкой и обеспечивающей высокую шероховатость отделки обрабатываемой поверхности, обуславливающей высокое качество поверхности и не требующей большого количества технологических переходов, что резко повышает производительность, улучшение условий деформирования и течения металла, а также снижение вероятности расширения, вспучивания металла и возникновения задиров на обрабатываемой поверхности, повышение стойкости давильного инструмента.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого инструмента для статико-импульсной давильной обработки полых изделий, который содержит корпус с деформирующими элементами для воздействия на заготовку с натягом, причем корпус выполнен в виде П-образного короба с продольным пазом для свободного прохождения заготовки, а деформирующие элементы выполнены в виде П-образных пружинящих скоб, жестко заделанных внутри корпуса на противоположных стенках друг против друга, с расстоянием между соответствующими парами в начале движения подачи при входе в контакт заготовки с инструментом в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки, равным наружному диаметру заготовки, а в конце движения - наружному диаметру готовой детали, причем общий натяг, равный половине разности диаметров заготовки и готовой детали, распределен равномерно на все пары деформирующих элементов, при этом рабочая часть деформирующего элемента выполнена в виде втулки, установленной по скользящей посадке на перекладине скобы.
Особенности конструкции предлагаемого давильного инструмента и его работа поясняются чертежами.
ПОП
ХХ
ПР
На фиг.1 представлена схема давильной обработки ППД цилиндрической поверхности полого изделия предлагаемым инструментом, частичный продольный разрез инструмента, вид сверху по А на фиг.2; на фиг.2 - предлагаемый инструмент, вид сбоку, продольный разрез, где показаны начальное продольное рабочее положение инструмента и конечное; на фиг.3 - предлагаемый инструмент, вид слева по Б на фиг.2, где показано промежуточное положение заготовки относительно инструмента, а также условно тонкими линиями показаны начальное (вверху) и конечное (внизу) положения заготовки; на фиг.4 - циклограмма цикла движений инструмента, где обозначены: S - поперечное рабочее перемещение инструмента относительно заготовки; S - поперечное холостое перемещение инструмента относительно заготовки; S - продольное рабочее перемещение инструмента относительно заготовки.
Предлагаемый инструмент предназначен для статико-импульсной давильной обработки ППД, калибрования, деформирующего протягивания и упрочнения металлических цилиндрических поверхностей 1 полых деталей из сталей и сплавов.
Установка, базирование и закрепление заготовки 1 с возможностью вращения относительно ее продольной оси осуществляется с помощью, например, специального электромеханического приспособления в виде оправки 2, которая установлена, например, на вертикально-протяжном станке мод. 7Б65. Предлагаемый давильный инструмент 3 содержит корпус с деформирующими элементами 4 для воздействия на заготовку с натягом.
Корпус инструмента 3 выполнен в виде П-образного короба с продольным пазом для свободного прохождения заготовки. Деформирующие элементы выполнены в виде П-образных пружинящих скоб, жестко заделанных внутри корпуса инструмента на противоположных стенках друг против друга.
З
ПОП
Расстояние Н между парой деформирующих элементов 4 (условно показано вверху согласно фиг.3) в начале движения подачи S при входе в контакт заготовки с инструментом в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки, устанавливается равным наружному диаметру заготовки до обработки.
Д
ПОП
З
Д
Б
Расстояние Н между парой деформирующих элементов (условно показано внизу согласно фиг.3) в конце движения подачи S равно наружному диаметру готовой полой детали. Общий натяг, равный половине разности диаметров заготовки и готовой детали, распределен равномерно на все пары деформирующих элементов. Расстояние Н и Н между соответствующими парами деформирующих элементов регулируется сближением или удалением противоположных стенок корпуса инструмента, которые соединены друг с другом внахлестку болтами 3.
П
С
П
В
В
Деформирующий элемент - скоба - имеет рабочую часть - перекладину 4 - и две стойки 4, с помощью которых он монтируется в стенке корпуса инструмента. Рабочая часть 4 деформирующего элемента, с помощью которой элемент воздействует на заготовку, состоит из втулки 4, установленной по скользящей посадке на перекладине скобы. Продольная ось перекладины скобы устанавливается параллельно оси заготовки. С целью снижения трения и предотвращения быстрого износа деформирующих элементов между втулкой 4 и перекладиной устанавливается, например, как вариант, фторопластовая втулка (не показана), играющая роль подшипника, или, как вариант, игольчатый подшипник (не показан). При давильной обработке полых изделий из цветных металлов и сплавов используют перекладину сплошную без втулки.
Жесткое крепление стоек деформирующих элементов в стенках корпуса инструмента обеспечивается, например, чеканкой, развальцовкой, резьбовым соединением с использованием гайки, закрученной на резьбовом наконечнике стойки (не показана) или другими известными способами.
Длина L стенок корпуса инструмента зависит от длины обрабатываемой заготовки l и длины рабочей части деформирующего элемента, т.е. перекладины скобы. Соотношение длин обрабатываемой заготовки l и рабочей части деформирующего элемента влияет на число поперечных проходов. На фиг.4 показана циклограмма полного цикла обработки одной заготовки, состоящего из трех поперечных проходов инструмента.
ПОП
З
При давильной обработке корпус инструмента с деформирующими элементами - скобами, жестко закрепленный в патроне, например, вертикально-протяжного станка (не показан), совершает движение подачи S в направлении, перпендикулярном продольной оси вращения заготовки, при этом заготовка совершает вращательное движение относительно своей продольной оси со скоростью V.
З
ПОП
Деформирующие элементы, установленные с внутренней стороны корпуса инструмента, совершают рабочее движение снизу верх (согласно фиг.1, 2, 3) и с двух сторон охватывают цилиндрическую поверхность заготовки. При сочетании вращательного движения заготовки V и поступательного движения S деформирующих элементов осуществляется динамический удар с проскальзыванием, позволяющий осуществить пластическое деформирование, вытяжку и выглаживание оболочки заготовки и упрочнение поверхностного слоя цилиндрической поверхности.
Предлагаемый инструмент позволяет повысить производительность давильной обработки выглаживания, а также улучшить качество и точность обработки заготовки.
Основным технологическим параметром процесса является натяг на каждую противоположно расположенную пару деформирующих элементов, мм:
Э
З
Д
i=(Н-Н)/n,
З
З
где Н - расстояние между верхней парой (согласно фиг.3) деформирующих элементов, равное D - диаметру цилиндрической поверхности заготовки до обработки (средняя арифметическая величина с учетом отклонений формы в поперечном сечении), мм;
Д
Д
Н - расстояние между парой нижних (согласно фиг.3) деформирующих элементов, равное D - диаметру цилиндрической поверхности обработанной детали, мм;
n - количество пар соответствующих деформирующих элементов на сторонах инструмента при условии, что количество элементов на каждой стороне одинаковое.
Э
При давильной обработке с натягом i до 0,2…0,5 мм на каждую пару расположенных диаметрально деформирующих элементов уменьшаются отклонения формы в поперечном сечении (отклонение от круглости) и повышается точность размера на 30…35%, уменьшаются параметры шероховатости поверхности.
Суммарный натяг лимитируется пластичностью материала заготовки. Заготовку из хрупких материалов обрабатывают с малыми натягами, так как при больших натягах может произойти ее разрушение.
Обработка деформирующими пружинными элементами в виде скоб обеспечивает оптимальные условия деформирования, а инструмент имеет максимальную размерную стойкость.
Деформирующие элементы в виде пружинных скоб изготовляют из сталей: легированных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А, быстрорежущих Р6М5, Р9. Твердость рабочей поверхности скобы из сталей HRC 62…65. Параметр шероховатости рабочего профиля пружинной скобы Ra=0,32 мкм.
При обработке предлагаемым инструментом обязательно применяют смазочно-охлаждающее технологическое средство (СОТС), предотвращающее схватывание деформирующей скобообразной пружины с обрабатываемым металлом. Отсутствие СОТС приводит к браку обрабатываемых заготовок и нередко к разрушению инструмента. Для заготовок из углеродистых и низколегированных сталей рекомендуются: сульфофрезол, МР-1, МР-2, эмульсии. Эти же жидкости следует применять при обработке заготовок из цветных металлов (бронзы, латуни, алюминиевых сплавов). Для заготовок из высоколегированных, жаростойких и коррозионно-стойких сталей и сплавов следует применять СОТС: АСМ-1, АСМ-4, АСМ-5, АСМ-6.
Шероховатость поверхности, обработанной предлагаемым инструментом, зависит от исходной шероховатости и материала обрабатываемой заготовки, режима обработки, применяемой СОТС. От скорости обработки (в пределах диапазона применяемых скоростей) шероховатость обработанной поверхности не зависит.
ПОП
З
Скорость поперечной подачи S деформирующих элементов при обработке предлагаемым инструментом связана со скоростью вращения заготовки V следующим соотношением:
ПОП
З
S=0,01·V,
ПОП
где S - скорость поперечной подачи деформирующих элементов, м/мин;
З
V - скорость вращательного движения заготовки, м/мин.
З
Скорость вращательного движения заготовки V назначают в пределах 2…20 м/мин. Для достижения точности по 11…13-му квалитетам обработку ведут с большими натягами. Для достижения точности по 8…11-му квалитетам следует применять средние натяги (0,3…0,4 мм). Для получения точности по 5…7-му квалитетам деформирование проводят с малыми натягами (0,03…0,3 мм).
Э
В результате статико-импульсного обкатывания и выглаживания предлагаемым инструментом улучшается шероховатость на один класс, статическое усилие прижатия инструмента к обрабатываемой поверхности заготовки составляет 200…300 Н на 10 мм длины рабочей поверхности инструмента и зависит от глубины внедрения деформирующего элемента в заготовку. Выбор соответствующего статико-импульсного давления зависит от физико-механических свойств материала заготовки и от натяга i.
Д
o
Д
o
Предлагаемый давильный инструмент применяют на мощных давильных станках, работающих по способу обратной ротационной протяжки толстостенных заготовок [1]. Радиус R поперечного сечения перекладины деформирующего элемента зависит от толщины t выглаживаемой оболочки и принимается равным R=(1…1,5)t.
С
Расстояние между стенками инструмента принимают из конструктивных соображений с учетом длины стоек 4. С уменьшением длины стоек возрастает жесткость конструкции инструмента и уменьшается податливость и прогиб стоек, при этом растут усилия деформирования.
Образующийся в результате статико-импульсного обкатывания и выглаживания микрорельеф поверхности обусловливается следующими основными факторами: кинематикой процесса (направлением взаимного перемещения инструмента и обрабатываемой заготовки); исходной шероховатостью; формой и размерами исходной части и обкатывающего инструмента; величиной подачи; пластическим течением металла, обуславливающим появление вторичной шероховатости; шероховатостью рабочей части инструмента; величиной упругого восстановления поверхности после выглаживания; вибрациями технологической системы станок-приспособление-инструмент-заготовка.
При статико-импульсном давильном обкатывании и выглаживании предлагаемым охватывающим инструментом на обрабатываемой поверхности резко снизилась вероятность появления продольной и поперечной волнистости благодаря увеличению площади контакта и использованию упругого деформирующего элемента в виде скобы, а также вибрациям, появляющимся при переходе контакта заготовки от одного деформирующего элемента к другому. При статико-импульсном обкатывании оболочек максимальную скорость выбирают в пределах 2…20 м/мин с учетом мощности станка и вибростойкости технологической системы. Получаемая при статико-импульсном обкатывании высота микронеровностей данным инструментом находится в пределах допустимого максимального значения высоты микронеровностей.
При промышленных испытаниях заготовку с наружным и внутренним диаметрами соответственно 126 мм и 122 мм, длиной 250 мм - колпака масляного фильтра, изготовленную на предыдущей операции штампованием из ленты 08Ю-ОСВ-А-II - 2,2 ГОСТ 19851-74, устанавливали на разжимную кулачковую оправку, а охватывающий давильный инструмент - на инструментальном суппорте на вертикально-протяжном станке мод. 7Б65.
Деформирующие скобы были изготовлены из стали легированной ШХ15, из проволоки диаметром 3 мм. Твердость рабочей поверхности скоб - HRC 62…65. Параметр шероховатости рабочего профиля перекладины скобы Ra=0,32 мкм. Длина скобы 50 мм
З
З
ПОП
Э
-1
Обработка проводилась на следующих режимах: скорость вращения заготовки V=20 м/мин (n=200 мин); скорость поперечной подачи деформирующих элементов S=0,2 м/мин; суммарный натяг на диаметр - 2,0 мм (1,0 мм на сторону); натяг на деформирующий элемент i=(1,0/10)=0,1 мм; количество деформирующих элементов n=10; смазывающе-охлаждающей жидкостью служил сульфофрезол (5%-ная эмульсия).
м
м
баз
Давильная обработка одного изделия проводилась за 6 проходов за Т=1,2 мин (против Т =3,65 мин по базовому варианту при обработке традиционным обкатыванием на ОАО Автоагрегат, г.Ливны).
Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68 и на профилометре мод. 283 тип АН ГОСТ 19300-86. В обработанной партии (равной 100 штук) бракованных деталей не обнаружено. Отклонение обработанной поверхности от цилиндричности составило не более 0,02 мм, что допустимо ТУ.
Испытаниями установлено, что производительность процесса повышается в 2,5…3,3 раза по сравнению с выглаживанием цилиндрическими роликами [1], размеры обработанных деталей стабильны и соответствуют требуемому квалитету точности, высота шероховатости обработанной поверхности соответствует Ra 1,6 мкм, волнистость отсутствовала.
Предлагаемый охватывающий давильный инструмент для статико-импульсного выглаживания отличается простотой в реализации, не сложен по конструкции и надежен в эксплуатации, позволяет повысить точность изготовления полых изделий, снизить высоту микронеровностей, повысить производительность статико-импульсной обработки, улучшить условия деформирования и течение металла, а также снизить вероятность расширения, вспучивания металла и возникновения задиров на обрабатываемой поверхности, повысить стойкость давильного инструмента.
Использование предлагаемого давильного инструмента позволяет расширить технологические возможности статико-импульсного обкатывания и выглаживания благодаря схватыванию давильным инструментом обрабатываемой заготовки и наложению колебательных движений на инструмент, повысить качество, точность и производительность обработки, энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза.
Источники информации
1. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение, 1983, с.147, рис.9.6.