УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВ
FACILITY FOR SCREW CENTRIFUGAL STRENGTHENING

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей валов или винтов из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) с нагружением деформирующих элементов центробежными силами.
Известен инструмент центробежной обработки, у которого деформирующие элементы (шарики или ролики) размещают в радиальных пазах диска, при этом в работе элементы смещаются в радиальном направлении [1]. Диск с элементами вращается с высокой скоростью. Элементы при этом наносят по поверхности детали многочисленные удары, пластически деформируя поверхность, и мгновенно отскакивают от нее.
Известный способ и инструмент отличается ограниченными технологическими возможностями и не позволяет упрочнять сложнофасонные поверхности, например винтовые, эксцентриковые, кулачковые и др., при этом способ и инструмент имеют низкую производительность и не позволяют развить больших усилий для эффективной обработки.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием и упрочнять сложнофасонные поверхности за счет управления глубиной и микрорельефом упрочненного слоя путем использования устройства и инструмента специальной формы с большим количеством деформирующих элементов, на которые воздействует, помимо центробежных сил, нагрузка за счет сжатого воздуха, что позволяет увеличить производительность и улучшить качество поверхности.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для импульсного упрочнения винтов винтовых насосов, содержащего диск с радиальными пазами и деформирующие элементы, размещенные в радиальных пазах диска с возможностью нанесения под действием центробежной силы ударов по поверхности винта, при этом радиальные пазы диска выполнены в виде пневмоцилиндров с возможностью подачи в них сжатого воздуха по радиальному каналу и кольцевым канавкам, деформирующие элементы выполнены в виде двухступенчатых роликов, ступень меньшего диаметра которых выполнена в виде штока пневмоцилиндра со сферическим рабочим торцом, выполненного с возможностью совершения ударов и пластического деформирования поверхности винта, а ступень большего диаметра двухступенчатых роликов выполнена в виде поршня, имеет канавку с уплотнительным кольцом и расположена в пневмоцилиндре, при этом на периферийной поверхности диска установлено кольцо с отверстиями, которые выполнены с возможностью свободного прохождения через них ступеней меньшего диаметра деформирующих элементов и обеспечения удерживания последних в радиальных пазах диска, а сферический рабочий торец штока выполнен с радиусом r>ε, где ε - эксцентриситет обрабатываемого винта винтового насоса.
Конструкция устройства поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема импульсного упрочнения винтовых поверхностей винтов предлагаемым устройством, частичный продольный разрез; на фиг.2 - вид по А на фиг.1, общий вид с торца; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1, деформирующие элементы упрочняют впадину винта; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1, деформирующие элементы упрочняют выступ винта.
Предлагаемое устройство предназначено для поверхностного пластического деформирования (ППД) упрочнения винтовых поверхностей винтов винтовых насосов (фиг.1) с использованием периодической импульсной нагрузки на деформирующие элементы. Устройство с небольшой модернизацией можно использовать для импульсного упрочнения цилиндрических, эксцентриковых, кулачковых поверхностей.
и
з
Предлагаемое устройство содержит диск 1 с радиальными пазами 2, в которых размещены деформирующие элементы 3. Диск 1 с деформирующими элементами 3 вращается с высокой скоростью V. При работе элементы могут смещаться в радиальном направлении. На деформирующие элементы 3 действуют центробежные силы, под действием которых наносятся по поверхности заготовки 4, вращающейся со скоростью V, многочисленные удары.
Деформирующие элементы 3 выполнены в форме двухступенчатых роликов. Ступени меньшего диаметра расположены дальше от центра диска, а ступени большего диаметра - ближе к центру и находятся в радиальных пазах 2. Ступень меньшего диаметра является штоком пневмоцилиндра и ее рабочий торец выполнен сферическим радиусом r и ударяет по поверхности заготовки, пластически деформируя ее. Длина этой ступени больше чем эксцентриситет ε обрабатываемой заготовки винта. Радиус r сферы штока берется не менее эксцентриситета r обрабатываемого винта, т.е. r>ε.
Ступень большего диаметра деформирующего элемента - ролика 3 является поршнем, имеет канавку с уплотнительным кольцом 5 и расположена в радиальном пазу - пневмоцилиндре 2. В пневмоцилиндры 2 по радиальному каналу 6 и кольцевым канавкам 7 подается сжатый воздух.
На цилиндрической периферийной поверхности диска 1 установлено и закреплено кольцо 8, выполняющее функции крышки пневмоцилиндров, с отверстиями для свободного прохождения ступени меньшего диаметра деформирующих элементов и удержания их в пневмоцилиндрах 2.
з
пр
и
При обработке заготовка получает вращение V, а устройство для упрочнения - движение продольной подачи S вдоль оси обрабатываемой заготовки и вращательное движение V.
з
Устройство предназначено для импульсного упрочнения поверхностным пластическим деформированием деталей эксцетричных валов или винтов винтовых насосов, для чего устройство устанавливают, например, на суппорте токарного станка (не показан). Заготовку закрепляют в патроне 9 шпинделя 10 передней бабки 11 и поджимают центром 12 задней бабки 13. Обрабатываемой заготовке сообщают вращательное движение V. Скорость вращения заготовки задают в зависимости от требуемой производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования.
Сборная конструкция диска 1, помимо вышеназванных отличий, имеет следующие особенности. Пневмоцилиндры 2 образованы сепараторами 14, в которых имеются радиальные пазы, и крышками 15, которые установлены с торцов диска 1 и которые закреплены винтами 16.
п
вп
и
выс
вп
Сущность процесса с использованием предлагаемого устройства заключается в следующем. При работе деформирующие элементы могут смещаться в радиальном направлении. Используя поперечную подачу S подводят и поджимают деформирующие элементы к центру обрабатываемой заготовки и устанавливают нужный натяг h по впадине винтовой поверхности. Инструмент с деформирующими элементами вращается с высокой скоростью V. Элементы при этом наносят по поверхности детали многочисленные удары, пластически деформируя поверхность. Периодически деформирующие элементы ударяют как по впадинам (см. фиг.3), так и по выступам (см. фиг.4), где натяг h больше на величину эксцентриситета ε по сравнению с h. При этом деформирующие элементы не отскакивают от обработанной поверхности, как это происходит в прототипе [1], а прижаты к обрабатываемой поверхности за счет подачи и давлении сжатого воздуха на поршень, которым является деформирующий ролик. Однако давление в каждом пневмоцилиндре 2 одинаковое, поэтому воздействие деформирующих элементов на выступы и впадины будет примерно одинаковое. Подача сжатого воздуха в пневмоцилиндры увеличивает срок службы инструментов, при этом пневмоцилиндры работают как демпферы и гасят вибрации, возникающие при ударах. 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 400…800 МПа.
Предварительная обработка заготовки: шлифование до значения параметра шероховатости Ra=0,4…1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью Ra=3,2 мкм.
Предлагаемую ударную обработку применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58…64. Помимо наружных винтовых поверхностей этим способом обрабатывают внутренние фасонные поверхности вращения, а также плоскости, соответствующим образом изготовив профиль деформирующих элементов. Можно также обрабатывать прерывистые поверхности и места сопряжений поверхностей.
Обработку выполняют на шлифовальных, токарных и фрезерных станках. Изготовляют деформирующие элементы из сталей марок ШХ15 и 9ХС с твердостью HRC 56-60.
2
Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности зависят от силы удара и числа ударов, приходящихся на 1 мм поверхности. Эти параметры, в свою очередь, зависят от окружной скорости инструмента, натяга, размера элементов, их числа в инструменте, частоты вращения заготовки и времени обработки.
Режимы обработки винтовых поверхностей деформирующими элементами - роликами диаметром малой ступени 7…10 мм и радиусом сферической рабочей поверхности r=3,5…5 мм и давлении сжатого воздуха 0,63 МПа приведены в таблице.
В конкретных случаях необходима экспериментальная отработка режимов. При неправильно выбранном режиме может возникнуть перенаклеп поверхности и в поверхностном слое могут возникнуть растягивающие остаточные напряжения, ведущие к трещинам и выкрашиванию поверхностного слоя. Для получения хороших результатов необходимо соблюдать следующие условия обработки. Допускаемое радиальное биение элементов, отклонения формы и радиальное биение заготовки не должны превышать 0,03…0,04 мм.
Обработка с большими натягами приводит к увеличению шероховатости поверхности, но при этом несколько увеличивается эффект упрочнения. Для получения поверхности заготовки высокого качества перед обработкой заготовки очищают от следов коррозии и обезжиривают. Обработку ведут с использованием COTС. Элементы смазывают смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность заготовки - керосином.
Оставлять припуск под обработку не следует, так как изменение размера весьма незначительно (1…5 мкм). После обработки этим устройством точность заготовок соответствует 7…9-му квалитетам.
-0,05
±0,01
a
Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500, который имел следующие размеры: общая длина 1282 мм, длина винтовой части 1208 мм, диаметр поперечного сечения винта 27 мм, эксцентриситет 3,3 мм, шаг 28 мм, шероховатость R=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса 5,8 кг.
Обработка проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с использованием предлагаемого устройства,
Значения технологических факторов (частота ударов, 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.
им
Величина силы импульсного воздействия деформируемых элементов на обрабатываемую поверхность составляла Р=25,5…40,0 кН. Глубина упрочненного импульсной обработкой слоя в 3…4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. С помощью предлагаемого устройства аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного воздействия на очаг деформации пролонгированного импульса энергии.
Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя 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. Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных винтовых поверхностей уменьшился до значения Ra=0,32…0,63 мкм при исходном - Ra=3,2…6,3 мкм, производительность повысилась более чем в три раз по сравнению с традиционным обкатыванием. Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,4 раза.
Гашение микровибраций в процессе обработки благоприятно сказывается на условиях работы инструмента. Это приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Демпфирование колебаний способствует лучшему проникновению СОТС в зону обработки. Демпфирование колебаний способствует увеличению стойкости деформирующих элементов инструмента. Обработка в условиях демпфирования колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОТС вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.
Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом сложнофасонной поверхности путем использования устройства и инструмента специальной формы с большим количеством деформирующих элементов, что позволяет увеличить производительность и снизить расходы на изготовление благодаря простоте конструкции.
Источники информации, принятые во внимание
1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. С.412-414.