УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО ДЕФОРМИРУЮЩЕ-РЕЖУЩЕГО ДОРНОВАНИЯ
DEVICE FOR STATIC PULSE MANDRELLING

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для чистовой комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием с калиброванием и упрочнением металлических внутренних цилиндрических поверхностей деталей из сталей и сплавов со статико-импульсным нагружением деформирующе-режущего инструмента.
Известен инструмент - протяжка, содержащая деформирующе-режущие элементы, имеющие на наружной поверхности выполненные под углом к оси протяжки заборный и обратный конусы с расположенной между ними цилиндрической ленточкой, канавки и выступы равной ширины [1]. Канавки расположены под углом к оси протяжки с образованием положительного переднего угла в нормальном сечении к боковой поверхности канавки, причем положительный передний угол расположен с левой стороны переднего торца при правом расположении канавок или с правой стороны переднего торца при левом расположении канавок, причем длина рабочего участка режущей кромки и расстояние от начала цилиндрической ленточки до заднего торца деформирующе-режущего элемента в проекции на ось протяжки определены по приведенному соотношению.
Известный инструмент отличается ограниченными технологическим возможностями, недостаточно большим натягом, незначительной глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, низким КПД и большой энергоемкостью оборудования.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей чистовой обработки внутренних поверхностей за счет применения комбинированного деформирующе-режущего дорна [4] со статико-импульсным нагружением, позволяющего управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом внутренних поверхностей отверстий, а также повышение КПД и снижение энергоемкости оборудования.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного деформирующе-режущего дорнования цилиндрических отверстий на станках, содержащего дорн с деформирующе-режущими элементами, количество которых выбрано четным, имеющими на наружной поверхности выполненные под углом к оси дорна заборный и обратный конусы с расположенной между ними цилиндрической ленточкой, канавки и выступы равной ширины, причем канавки расположены под углом к оси дорна с образованием положительного переднего угла в нормальном сечении к боковой поверхности канавки и положительный передний угол расположен с левой стороны переднего торца при правом расположении канавок или с правой стороны переднего торца при левом расположении канавок, причем оно снабжено гидроцилиндром, в котором расположен боек и волновод, выполненный с возможностью приложения к нему статической нагрузки и посредством бойка периодической импульсной нагрузки, гидравлическим генератором импульсов для питания гидроцилиндра, при этом волновод и боек выполнены в виде стержней одинакового диаметра.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема чистовой комплексной обработки отверстия деформирующе-режущим дорном со статико-импульсным нагружением в процессе обработки; на фиг.2 - общий вид конструкции деформирующе-режущего дорна, частичный продольный разрез; на фиг.3 - деформирующе-режущий элемент, частичный продольный разрез; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.6 - развертка рабочей поверхности деформирующе-режущих элементов.
Предлагаемое устройство предназначено для чистовой комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием (ППД) с калиброванием и упрочнением металлических внутренних цилиндрических поверхностей 1 отверстий заготовок 2 из сталей и сплавов деформирующе-режущим инструментом дорном 3, к которому прикладывают статико-импульсную нагрузку с помощью силовых гидроцилиндров 4. Обрабатываемую заготовку устанавливают на опорной плите 5 станка 6.
СТ
ИМ
Устройство состоит из деформирующе-режущего инструмента в виде дорна, содержащего деформирующе-режущие элементы 7, смонтированные на оправке 8, к которой прикладывают статическую Р и динамическую импульсную Р нагрузку с помощью силовых гидроцилиндров.
Деформирующе-режущие элементы, количество которых выбрано четным, имеют на наружной поверхности выполненный под углом α к продольной оси заборный конус 9 и под углом β обратный конус 10 с расположенной между ними цилиндрической ленточкой 11.
1
1
На рабочей поверхности деформирующе-режущих элементов выполнены канавки 12, ширина b которых (фиг.2-6) равна ширине образованных выступов 13. Боковые стороны канавки выполнены под углом γ к продольной оси дорна в плоскости поперечного сечения деформирующе-режущего элемента (фиг.4), причем угол γ выполнен положительным с левой стороны переднего торца каждого элемента при правом расположении канавок и, наоборот, положительным с правой стороны переднего торца элемента при левом расположении канавок. Кроме того, канавки выполнены под углом ω к продольной оси дорна так, что точка A (фиг.6), определяющая начало образования выступов на обрабатываемой поверхности, располагается от начала цилиндрической ленточки на расстоянии l по оси дорна, величина которого определяется по формуле:
l=[b·cos(arctg(sinω·tgα))]/sinω·cosγ, мм;
1
где угол γ (фиг.5) определяется в сечении, нормальном к боковой поверхности канавки, а величина его равна статическому переднему углу режущей кромки, которая образуется при пересечении заборного конуса, выполненного под углом α к оси дорна, цилиндрической ленточки и обратного конуса с левой боковой поверхности канавки при правом их расположении. Таким образом, точка A определяет начало режущей кромки на заборном конусе, а расстояние от точки A до начала цилиндрической ленточки - длину рабочего участка режущей кромки на заборном конусе. Задний торец деформирующе-режущего элемента выполняют на расстоянии не меньше чем 1 (фиг.6) по оси дорна от точки E, определяющей начало цилиндрической ленточки. Каждый предыдущий деформирующе-режущий элемент располагается на оправке таким образом, что точка F, располагающаяся на пересечении правой боковой поверхности от переднего торца деформирующе-режущего элемента, заборного конуса и плоскости поперечного сечения, проходящей через точку E начала рабочего участка цилиндрической ленточки в осевом направлении, совпадает с точкой E последующего деформирующе-режущего элемента. При этом количество деформирующе-режущих элементов выбрано четным.
Дорн работает следующим образом. Во время рабочего хода первый элемент входит в отверстие заборной частью в точке A (фиг.6) и начинает пластически увеличивать диаметр отверстия в зоне выступов деформирующе-режущего элемента и в меньшей степени в зоне канавок, за счет чего на поверхности отверстия образуются выступы, испытывающие окружные растягивающие напряжения. Но поскольку левая боковая поверхность канавки при правом их расположении на элементе встает на пути движения образующегося на поверхности отверстия выступа, последний начинает срезаться. При этом резание осуществляется в зоне растяжения, что способствует снижению сил резания, так как предварительное растяжение способствует накоплению степени разрушения в срезаемом слое, а также увеличивает показатель напряженного состояния в зоне резания.
a
a
MAX
MAX
Процесс срезания стружки начинается в точке A, то есть в зоне образования выступа на обрабатываемой поверхности, и по мере продвижения деформирующе-режущего элемента ширина стружки увеличивается. При вхождении точки B в зону обработки ширина стружки равна длине отрезка главной режущей кромки AE=l/(cosα·cosω), мм; где α - угол заборного конуса деформирующе-режущего элемента. При этом увеличивается и толщина срезаемого слоя «», максимальная величина  которого равна максимальной высоте H образующихся выступов.
Экспериментально установлено: H≈(0,12…0,2)·i, мм; где i - натяг на деформирующий элемент.
K
При дальнейшем движении дорна материальная точка C заготовки должна войти в зону обработки последней в точке D режущей кромки, пройдя путь, равный 2l. При этом материальная точка C испытает максимальную степень деформации, так как она пройдет максимальный отрезок CF по заборному конусу элемента, то есть в этих точках высота образованного выступа будет равна нулю. Таким образом, в точке D режущей кромки процесс резания происходить не будет, поэтому ширина стружки, продолжая увеличиваться, достигнет величины AD, а толщина стружки будет уменьшаться до нуля. То есть при перемещении деформирующе-режущего элемента на величину 2l процесс стабилизируется, ширина стружки будет равна 2l до выхода элемента из отверстия. При выходе из отверстия ширина стружки будет изменяться в обратном порядке, уменьшаясь до нуля. Соответственно, сила резания и деформирования при входе элемента в зону резания и выходе из нее будет изменяться не скачкообразно, а постепенно, что значительно снижает вибрации и, как следствие, волнистость обработанной поверхности. Выполнение канавок под углом ω к вектору главного движения значительно снижает силы резания, так как увеличивается кинематический передний угол γ=arctg(tgγ/sinω), а процесс резания становится косоугольным.
a
MAX
1
1
1
Форма срезанного слоя представляет собой практически равнобедренный треугольник ACG, причем максимальная толщина BG= находится в средней части срезаемого слоя. При угловом смещении предыдущего элемента относительно следующего за счет совмещения по оси точки F предыдущего элемента с точкой E следующего достигается равномерное удаление припуска по окружности отверстия. Максимальная толщина срезаемого следующим элементом слоя BG совпадает с точками A и C, в которых материал не срезается предыдущим элементом. Кроме того, равномерное срезание слоев металла по окружности обеспечивается только при четном количестве деформирующе-режущих элементов.
Таким образом, дорн эффективно увеличивает отверстие за счет пластической деформации отверстия участками заборного конуса, а также обеспечивает срезание механически упрочненного поверхностного слоя, что приводит к уменьшению длины дорна и повышению качества обработанной поверхности.
ИМ
На дорн воздействует шток гидроцилиндра, который является волноводом 14, к которому дополнительно прикладывают периодическую импульсную P нагрузку посредством бойка 15, расположенного в гидроцилиндре 16, питаемого гидравлическим генератором импульсов (ГГИ) (не показан) [2, 3]. Волновод 14 и боек 15 выполнены в виде стержней одинакового диаметра.
Предлагаемое устройство служит для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием внутренних поверхностей отверстий. Эту операцию выполняют перемещением с натягом инструмента - дорна через обрабатываемое отверстие заготовки, при этом к дорну прикладывают статическую и импульсную периодическую нагрузки вдоль оси инструмента и обрабатываемого отверстия.
Заготовку 1 устанавливают в опорной плите 5, например, вертикально-протяжного станка мод. 7Б65 и заходной направляющей частью вводят дорн в предварительно обработанное отверстие заготовки.
ПР
СТ
ИМ
Обработку начинают с включения продольной подачи S, которая осуществляется благодаря постоянному действию на дорн волновода 14, на который, в свою очередь, действует основная статическая нагрузка Р и дополнительная периодическая импульсная нагрузка Р. Последнюю осуществляют с помощью бойка 15, воздействующего на торец волновода 14, выполненные в виде стержней одинакового диаметра. В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяют гидравлический генератор импульсов (не показан) [2, 3].
СТ
ПР
Статическое нагружение Р и продольная подача S волновода осуществляются с помощью гидроцилиндра статического нагружения 17, поршень 18 которого жестко связан штоком 19 с корпусом 16 гидравлического генератора импульсов. Волновод 14 установлен в корпусе 16 с возможностью продольного осевого перемещения и содержит лыску с размещенным в ней и в выточке корпуса 16 штифтом 20, препятствующим провороту волновода относительно продольной оси и ограничивающим ход волновода.
Исходный импульс, сформированный в бойке в момент удара по волноводу, отражаясь от свободного торца бойка с противоположным знаком, доходит до волновода, одна его часть вновь отражается в боек, а другая переходит в волновод и распространяется в направлении нагружаемой поверхности. Дойдя до нагружаемой поверхности, последняя часть импульса распределяется на проходящий и отраженный. Проходящие волны деформации при равенстве длин бойка и волновода не накладываются и не разрываются, а следуют друг за другом, кроме того, при равенстве площадей контакта поперечных сечений бойка и волновода энергия удара наиболее полно реализуется в контакте с нагружаемой средой.
Глубина упрочненного слоя 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 по сравнению, например, с традиционным раскатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 1,8…2,7 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7…2,2 раза.
Пример. Обрабатывали предлагаемым устройством отверстие диаметром 30 мм; заготовки из материала - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса - 5,8 кг. Обработку производили дорном с двумя деформирующе-режущими элементами диаметром 30 мм, высотой 15 мм каждый, из стали Х12МФ по ГОСТ 5950-2000 HRC 58…62, имеющими: длину заборного конуса 9 мм, обратного конуса 4,5 мм, ширину ленточки 1,5 мм, углы: α=4,5°, β=7,5°, γ=5°, ω=35°, длина рабочего участка режущей кромки более 7,4 мм.
ПР
СТ
Обработку вели на модернизированном вертикально-протяжном станке мод. 7Б65 с использованием специального ГГИ - гидравлического генератора импульсов. Модернизация касалась перевода станка из «тянущего» режима в «толкающий», установки на станке, на толкающем штоке волновода, бойка и корпуса гидроцилиндра, осуществляющих дополнительное периодическое импульсное нагружение инструмента дорна. Смазочно-охлаждающая жидкость - сульфофрезол. Скорость дорнования S=4 м/мин. Наибольшее значение энергии ударов, развиваемых ГГИ, A=280 Дж (сила удара 260 кН, скорость удара 7,2 м/с), при частоте ударов f=5…15 Гц. Натяг инструмента составлял i=0,1…0,25 мм на диаметр. Статическое нагружение осуществлялось силой до Р=40 кН.
Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных поверхностей отверстий уменьшился до значения Ra=0,5…0,065 мкм при исходном - Ra=5…6,5 мкм, производительность повысилась более чем в три раза по сравнению с раскатыванием трехроликовым раскатником и предварительным развертыванием, используемым на базовом предприятии в АО "Ливгидромаш". Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза. Глубина упрочненного слоя достигла 1,6…2,1 мм. Наибольшая степень упрочнения составляла 18…25%. В результате статико-импульсной обработки эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возросла в 1,9…2,3 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,8…2,1 раза.
Предлагаемое устройство позволяет повысить производительность, вести обработку с большим натягом, значительной глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения, высоким КПД и минимальной энергоемкостью оборудования.
Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием за счет применения статико-импульсного нагружения инструмента деформирующе-режущего дорна, а также за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом обрабатываемых внутренних поверхностей.
Источники информации
1. Патент РФ №2237552, МПК В23D 43/02. Деформирующе-режущая протяжка. С.К.Амбросимов, О.Н.Крюков. Заявка №2003109772/02. 07.04.2003; 10.10.2004 - прототип.
2. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.
6
3. Патент РФ №2090342. МПК B24B 39/04. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей ППД. 95122309/02. 21.12.95; 20.09.97. Бюл. №26.
4. 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, 1986. С.397…410.