СПОСОБ РОТОРНОГО УПРОЧНЕНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
METHOD OF ROTOR STRENGTHENING OF COMPLEX CONTOURED SURFACE

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием (ППД), и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрических, винтовых и сложнопрофильных поверхностей, например винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с округленно-синусоидальным профилем, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей.
Известен способ, реализуемый устройством, содержащим корпус с индивидуальным высокоскоростным приводом, охватывающим заготовку кольцо с деформирующими элементами, расположенными на беговой дорожке на внутренней поверхности, причем корпус-кольцо установлен в кривошипе, также имеющем индивидуальный привод, благодаря которому сообщают дополнительное планетарное вращение относительно оси, проходящей через центр заготовки, параллельной и смещенной относительно оси корпуса-кольца на величину эксцентриситета [1, 2].
Недостатками известного способа являются узкие технологические возможности, при которых чистовая обработка поверхностным пластическим деформированием винтовых и сложнопрофильных наружных поверхностей после соответствующей модернизации является весьма сложной, а в ряде случаев невозможной.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей ППД сложнопрофильных поверхностей путем использования охватывающего инструмента в виде кольца с деформирующими элементами - шариками, расположенными на внутренней поверхности, совершающего колебательные движения в поперечной плоскости и позволяющего улучшить качество обрабатываемой поверхности, повысить производительность и снизить себестоимость обработки.
Поставленная задача решается предлагаемым способом, предназначенным для упрочнения поверхностным пластическим деформированием сложнопрофильных поверхностей, включающим сообщение заготовке и деформирующему инструменту, представляющему собой многоэлементный обкатной инструмент, вращательных движений вокруг собственных осей и продольной подачи деформирующему инструменту, имеющему индивидуальный привод и корпус, выполненный в виде охватывающего заготовку кольца с деформирующими элементами, расположенными на беговой дорожке внутренней поверхности, при этом деформирующему инструменту обеспечивается дополнительное колебательное движение в поперечном направлении благодаря тому, что корпус-кольцо установлен в кулисе, причем кулиса шарнирно подвешена на полом стакане, принадлежащем подшипниковому узлу, который расположен на одном конце кронштейна, при этом на другом конце кронштейна установлен упомянутый индивидуальный привод с возможностью передачи вращательного движения корпусу-кольцу с деформирующими элементами, кроме того, с целью создания усилия для поверхностного пластического деформирования установлена пружина сжатия, оказывающая давление на кулису.
Особенности обработки предлагаемым способом поясняются чертежами. На фиг.1 показана схема упрочнения винтовой сложнопрофильной поверхности, общий вид; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - элемент В на фиг 3.
З
И
ПР
Предлагаемый способ предназначен для пластического деформирования винтовых и сложнопрофильных поверхностей (например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с округленно-синусоидальным профилем, цилиндрических валов, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей), при котором обрабатываемой заготовке и деформирующему инструменту сообщают вращательные движения V и V соответственно, при этом деформирующему инструменту сообщают движение продольной подачи S.
З
ПР
КОЛ
Для поверхностного деформирования по предлагаемому способу заготовку, например винта винтового насоса 1 (см. фиг.1), предварительно обработанную, например точением, закрепляют в приспособлении 2, например в трехкулачковом самоцентрирующем патроне с поджатием центром задней бабки, и сообщают вращательное движение V вокруг собственной оси, а деформирующему инструменту 3 - продольную подачу S и возможность совершать колебательные движения S в поперечном направлении.
Деформирующий инструмент 3 содержит индивидуальный привод 4 в виде электродвигателя. Корпус 5 выполнен в виде охватывающего заготовку кольца с деформирующими элементами 6, расположенными на беговой дорожке внутренней поверхности. Корпус-кольцо 5 установлен в кулисе 7 в ее нижнем (согласно фиг.1) отверстии в подшипниках 8. Верхним отверстием кулиса 7 шарнирно смонтирована на полом стакане 9. Полый стакан 9 принадлежит подшипниковому узлу 10, который расположен на верхней части кронштейна 11.
КОЛ
К
К
Кронштейн 11 нижней частью закреплен на основании 12, которое установлено, например, на поперечном суппорте 13 токарного станка (не показан). Такая конструкция крепления деформирующего инструмента 3 позволяет кулисе 7 совершать колебательные движения S, вызванные эксцентричным смещением и расположением некоторых участков обрабатываемой, например, винтовой поверхности. Амплитуда А колебательного движения кулисы равна А=2Е, где Е - эксцентриситет сложнофасонной поверхности (например, эксцентриситет винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500 равен Е=3,3 мм, см. фиг.2).
На фиг.4 показано взаимное положение заготовки и деформирующего инструмента, когда его контакт с заготовкой осуществляется по двум деформирующим элементам, в отличии от положения, показанного на фиг.3, когда контакт осуществляется по одному деформирующему элементу. Переход контакта заготовки с одного деформирующего элемента на два деформирующих элемента вызывает импульсно-ударную пластическую деформацию поверхностного слоя заготовки.
Передача вращательного движения корпусу-кольцу 5 с деформирующими элементами 6 от индивидуального привода 4 осуществляется с помощью ременной передачи 14 со шкивами 15 и 16 на промежуточный вал 17, расположенный в подшипниковом узле 10, и ременной передачи 18 со шкивами 19, 20 и натяжным шкивом 21.
С целью создания усилия для поверхностного пластического деформирования установлена пружина сжатия 22, оказывающая давление Р на кулису 7 и, соответственно, на деформирующий инструмент 3 в поперечном направлении. Подвижное крепление деформирующих элементов 6 в беговой дорожке корпуса кольца 5 осуществлено с помощью крышки 23, которая крепится к торцу корпуса-кольца болтами 24, однако крепление может быть осуществлено и другими известными способами.
2
Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности, полученные предлагаемым способом, зависят от силы удара и числа ударов, приходящихся на 1 мм поверхности. Эти параметры в свою очередь зависят от окружной скорости корпуса-кольца с деформирующими элементами, натяга, размера деформирующих элементов, их числа в корпусе-кольце, частоты вращения, величины продольной подачи заготовки и числа проходов.
И
З
Режимы импульсно-ударного деформирования предлагаемым способом, осуществляемого с помощью деформирующего инструмента, оснащенного, например, шариками диаметром 5…10 мм, и стальных заготовок, следующие: окружная скорость кольца - V≈20…40 м/с, окружная скорость заготовки - V≈0,5…1,5 м/с, число проходов - 2…3, натяг - 0,1…0,25 мм.
В результате импульсно-ударной пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя предлагаемым способом параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,08…0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8…3,2 мкм. Твердость обработанной поверхности увеличивается на 25…75% при глубине наклепанного слоя 0,25…2,5 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 350…750 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.
Способ импульсно-ударного деформирования позволяет создать на обрабатываемой сложнопрофильной, в том числе винтовой, поверхности регулярный микрорельеф, способный удерживать смазывающие материалы и продлевать ресурс работы деталей при эксплуатации.
Способ импульсно-ударного деформирования применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58…64.
-0,05
±0,01
При промышленных испытаниях установленную в патроне с электромеханическим приводом токарного станка мод. 16К20Ф3 обрабатывали заготовку 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 Ra=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 40Х, твердость НВ 270-280, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась с использованием разработанного устройства.
И
З
ПР
Импульсно-ударное ППД вели на следующих режимах: окружная скорость кольца - V≈15 м/с; окружная скорость заготовки - V≈0,5 м/с, число проходов - 3, натяг - 0,2 мм, продольная S подача 1,5…2,0 мм/об, усилие упрочнения - 170…175 Н; диаметр винта изменился после обработки на 0,02 мм (0,01 мм на сторону); глубина наклепанного слоя находилась в пределах 0,15…0,20 мм; повышение твердости на 25…30%; при обработке деформирующие элементы смазывали смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность детали - керосином. 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.
к
Исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,32 мкм; деформирующий инструмент - шарики диаметром 4 мм из стали ШХ15, твердостью HRC 63…65, расположенные в кольце во внутренней беговой дорожке, внутренний радиус по вершинам деформирующих элементов R=20,57 мм.
Глубина упрочненного импульсно-ударной обработкой слоя в 3…4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном статическом обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий.
Предлагаемым способом аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного импульсно-ударного воздействия на очаг деформации импульса энергии.
м
м
баз
Требуемая шероховатость и точность винтовой поверхности была достигнута через Т=6,6 мин (против Т =16,5 мин по базовому варианту при традиционном обкатывании винтов на токарном станке 1К62 на АО "Ливгидромаш").
Для обеспечения необходимого качества и размерной точности обработки потребовалось основного времени в 2,5 раза меньше, чем при обкатывании традиционным обкатником. При этом глубина и микротвердость упрочненного слоя (белой зоны) составляла соответственно 0,15…0,20 мм и 8…9 ГПа с постепенным понижением микротвердости по глубине до исходного состояния - 2,0…2,5 ГПа.
Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл.1 ГОСТ 577-68. Накопленная погрешность между любыми не соседними шагами была не более 0,1 мм, просвет при контроле лекальной линейкой образующих по диаметру выступов - не более 0,07 мм, что допустимо по ТУ.
Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя импульсно-ударной 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.
Достигаемая в процессе обработки предлагаемым способом предельная величина шероховатости составляет Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.
Импульсно-ударное деформирование в процессе благоприятно сказывается на условиях работы устройства. Оно приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, облегчает формирование упрочняемой поверхности.
Импульсно-ударное деформирование способствует лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении импульсной нагрузки деформирующие элементы и деформирующая поверхность периодически «отдыхают», что способствует увеличению их стойкости. Обработка в условиях импульсно-ударного деформирования резко увеличивается эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта деформирующих элементов и заготовки.
Предлагаемый способ расширяет технологические возможности импульсно-ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности.
Источники информации
1. Патент РФ 2276005, МПК B 24 B 39/04. Способ обкатки неполных сферических поверхностей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Гаврилин А.М., Афанасьев Б.И., Катунин А.А., Фомин Д.С. 2004129399/02; 05.10.2004; 10.05.2006. Бюл. №13 - прототип.
2. Патент РФ 2276006, МПК B 24 B 39/04. Устройство для импульсно-ударного деформирования сферических поверхностей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Афанасьев Б.И., Катунин А.А., Катунин А.В., Фомин Д.С. 2004136428/02; 14.12.2004; 10.05.2006. Бюл. №13.