СПОСОБ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО ДОРНОВАНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ОТВЕРСТИЙ
METHOD OF STATIC PULSE MANDRELLING OF SHAPED BORES

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для дорнования, калибрования, деформирующего протягивания и упрочнения металлических внутренних поверхностей сложнопрофильных отверстий деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагружением деформирующего инструмента.
Известна обработка конических, ступенчатых и шлицевых втулок в мастер-обоймах за счет радиального затекания в их полости металла заготовки при раздаче отверстия [1].
Известный способ отличается ограниченными технологическими возможностями, недостаточно большим натягом, незначительной глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, низким КПД и большой энергоемкостью оборудования, а также повышенной металлоемкостью (на 20…40%), высокой трудоемкостью (в 2…3 раза) изготовления, невысокой точностью и прямолинейностью отверстий.
Известен способ статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания, включающий приложение к деформирующему инструменту статической нагрузки с натягом вдоль обрабатываемой поверхности, при этом прикладывают к деформирующему инструменту с помощью бойка и волновода периодическую импульсную нагрузку, вырабатываемую гидравлическим генератором импульсов, используют волновод в виде ступенчатого стержня со ступенями малого и максимального диаметров и боек в виде втулки, охватывающей ступень малого диаметра ступенчатого стержня, скользящей вдоль продольной оси последнего, и имеющей площадь поперечного сечения, одинаковую с площадью поперечного сечения ступени максимального диаметра ступенчатого стержня, при этом соотношение длины втулки к длине ступени максимального диаметра ступенчатого стержня выбирают равным единице [2, 3].
Известный способ отличается ограниченными технологическими 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 дорнования за счет применения статико-импульсной нагрузки, воздействующей на специальный дорн с множеством деформирующих элементов, при прохождении которого возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить натяг и глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности, а также увеличение производительности, КПД и снижение энергоемкости процесса.
Поставленная задача решается предлагаемым способом дорнования сложнопрофильных шлицевых отверстий, включающим поверхностное пластическое деформирование заготовки путем вдавливания при осевом перемещении дорна под действием статико-импульсной нагрузки, осуществляемой гидроцилиндром статической нагрузки, и действующим от гидравлического генератора импульсов, гидроцилиндром периодической импульсной нагрузки, реализуемой ударом бойка по волноводу, при этом раздача шлицевых пазов шлицевого отверстия осуществляется деформирующими элементами дорна, последний содержит: корпус, неподвижно закрепленный на штоке гидроцилиндра статической нагрузки; конус, подвижно установленный на штоке с возможностью возвратно-поступательного перемещения на нем при действии волновода; винтовую цилиндрическую пружину сжатия, расположенную на штоке между корпусом и конусом, и упомянутые деформирующие элементы в виде роликов, ширина которых равна ширине шлицевого паза сложнопрофильного отверстия, расположенных в радиальных пазах корпуса с возможностью радиально-возвратного перекатывания при продольном перемещении конуса относительно корпуса, количество роликов определяется количеством шлицевых пазов обрабатываемого отверстия, при этом гидроцилиндр периодической импульсной нагрузки расположен подвижно на штоке гидроцилиндра статической нагрузки и снабжен волноводом и бойком в виде втулок с возможностью их продольного перемещения на упомянутом штоке.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема обработки сложнопрофильного шлицевого отверстия поверхностным пластическим деформированием - дорнованием со статико-импульсным нагружением деформирующих элементов дорна, показано положение инструмента перед началом обработки, деформирующие элементы в свободном не нагруженном состоянии, тонкими линиями показано положение инструмента в конце рабочего хода; на фиг.2 - поперечное сечение шлицевого отверстия заготовки, обработка которого осуществляется предлагаемым способом; на фиг.3 - схема обработки шлицевого отверстия предлагаемым способом, положение конуса и деформирующих роликов в свободном, безударном состоянии (справа от осевой линии) и положение конуса и деформирующих роликов в конце удара, где деформирующие ролики под действием статической и импульсной нагрузок максимально внедрены в заготовку (вид слева от осевой линии); на фиг.4 - поперечное сечение А - А на фиг.3, все деформирующие элементы находятся под нагрузкой; на фиг.5 - общий вид дорна в свободном, безударном, нерабочем состоянии, деформирующие элементы расположены на минимальном диаметре d; на фиг.6 - общий вид дорна в рабочем состоянии, деформирующие элементы расположены на максимальном диаметре D; на фиг.7 - элемент Б на фиг.4.
ст
им
Предлагаемый способ предназначен для чистовой обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) с калиброванием и упрочнением металлических внутренних сложнопрофильных поверхностей, например, шлицевых отверстий 1 заготовок 2 из сталей и сплавов многоэлементным деформирующим инструментом - дорном 3, к которому прикладывают статическую нагрузку P с помощью гидроцилиндра 4 и импульсную Р нагрузку с помощью силового гидроцилиндра 5, в котором расположены боек 6 и волновод 7.
заг
Обрабатываемую заготовку 2 устанавливают на опорной плите 8 пресса 9. На фиг.2 показано поперечное сечение заготовки 2 втулки, обработанной предлагаемым способом и имеющей сложнопрофильное шлицевое отверстие 1 с прямобочными шлицами, номинальные размеры которой z×d×D=10×112×120; b=18 мм, выполнены по ГОСТ 1139-58, при этом заготовка перед данным дорнованием имела диаметр отверстия d ≈ 116 мм.
Дорн 3 содержит: корпус 10, неподвижно закрепленный на штоке 11 гидроцилиндра 4 статической нагрузки; конус 12, подвижно установленный на штоке 11, с возможностью возвратно-поступательного перемещения на нем при действии волновода 7; винтовую цилиндрическую пружину 13 сжатия, расположенную на штоке 11 между корпусом 10 и конусом 12, и деформирующие элементы 14 в виде роликов, ширина которых равна ширине b шлицевого паза сложнопрофильного отверстия заготовки 2, и расположенных в радиальных пазах 15 корпуса 10 с возможностью радиально-возвратного перекатывания при перемещении конуса относительно корпуса. Количество роликов определяется количеством шлицевых пазов обрабатываемого отверстия.
Конус 12 помимо конической части, взаимодействующей с роликами, имеет заборную часть с углом α и калибрующий поясок 12к, взаимодействующий с внутренним диаметром d шлицевого отверстия и калибрует его после пластического деформирования шлицевых пазов и окружного и радиального затекание металла.
Материал деформирующих элементов - роликов (например, твердый сплав ВК15, ВК15М) обеспечивает высокую износостойкость инструмента и высокую изгибную прочность. При малых нагрузках на инструмент можно применять сплав ВК8.
Детали дорна: шток, корпус, конус, волновод изготовляют из углеродистых сталей, закаленных до твердости HRC 40…45. В собранном виде радиальное биение деформирующих элементов - роликов не превышает 0,02…0,05 мм. Это требование выполняют за счет высокой точности изготовления деталей дорна. Особое внимание уделяют штоку (радиальное биение его не должно быть более 0,01…0,02 мм) и деформирующим элементам - роликам (торцовое и радиальное биение их не должно быть более 0,005…0,01 мм).
Пружину 13 изготовляют из проволоки, изготовленную, например, по ГОСТ 9389-75 из стали марки 65Г.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что на деформируемые элементы - ролики воздействует конус 12, расположенный на штоке 11 и скользящий по нему. Конус 12 в безударном состоянии находится в дорне в верхнем положении (согласно фиг.3, 5) под действием пружины 13. При ударе бойка 6 по волноводу 7 конус 12 преодолевает сопротивление пружины 13 опускается вниз (согласно фиг.3, 6) и ролики радиально движутся от центра к периферии, образуя пазы в обрабатываемом шлицевом отверстии (фиг. 4).
им
Волновод 7 находится в гидроцилиндре 5 (фиг.1) и имеет форму втулки, скользящей по штоку 11 и воспринимает на себя прикладываемую периодическую импульсную Р нагрузку в виде удара бойком 6. Боек 6 расположен также в гидроцилиндре 5 и имеет форму втулки. Гидроцилиндр 5 имеет возможность продольного перемещения вдоль штока 11, согласованное с продольным перемещением дорна в обрабатываемом отверстии и работает от гидравлического генератора импульсов (ГГИ) (не показан) [4, 5]. Волновод 7 и боек 6 выполнены в виде втулок одинакового диаметра.
Предлагаемый способ предназначен для обработки поверхностным пластическим деформированием - дорнованием внутренних поверхностей отверстий. Эту операцию выполняют перемещением с натягом инструмента - дорна в обрабатываемом отверстии заготовки, при этом к дорну прикладывают статическую и импульсную, периодическую нагрузки вдоль оси инструмента и обрабатываемого отверстия.
Заготовку 2 устанавливают в опорной плите 8, например, пресса или вертикально-протяжного станка (например, 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 штока 11, на который, в свою очередь, действует основная статическая нагрузка Р, развиваемая гидроцилиндром 4. Одновременно включается в работу гидроцилиндр 5, вырабатывающий дополнительную периодическую импульсную нагрузку Р.
ИМ
Периодическую импульсную нагрузку Р осуществляют с помощью бойка 6, воздействующего на торец волновода 7, выполненные в виде втулок, расположенных на штоке 11. В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяют гидравлический генератор импульсов (не показан) [4, 5].
СТ
ПР
Статическое нагружение Р и продольная подача S дорна осуществляются с помощью гидроцилиндра статического нагружения 4, поршень 16 и шток 11 которого соединен с дорном.
Импульсная нагрузка осуществляется гидроцилиндром 5, который работает от гидравлического генератора импульсов (не показан). Волновод 7 в виде втулки установлен в гидроцилиндре 5 на штоке 11 с возможностью продольного осевого перемещения и расположен между бойком 6 и конусом 12 дорна.
Исходный импульс, сформированный в бойке 6 в момент удара по волноводу 7, 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.
Деформирующие элементы дорна работают следующим образом.
СТ
Во время рабочего хода при действии только статической нагрузки Р деформирующие элементы - ролики входят в отверстие заготовки с минимальным натягом и процесс поверхностного пластического деформирования будет проходить, как при обычном традиционном дорновании.
им
им
При ударе бойка по волноводу, помимо действия статической нагрузки, на деформирующие элементы начинает действовать импульсная Р нагрузка (фиг.3, 4, 6). Волновод скользит по штоку и перемещает вдоль штока конус, при этом пружина 13 сжимается, т.к. корпус остается неподвижным относительно штока. Импульсная нагрузка Р действует на конус и далее на деформирующие элементы - ролики, которые преодолевают сопротивление металла заготовки, перемещаясь от центра к периферии, радиально воздействуют на обрабатываемую поверхность отверстия, образовывая пазы шириной b. Глубина пазов определяется диаметром ролика и диаметром конуса в месте их контакта.
Возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности (фиг.7).
При окончании действия импульсной нагрузки конус под действием пружины переместится вверх (согласно фиг.3, 5) и деформирующие элементы - ролики, свободно расположенные в радиальных пазах 15 корпуса 10, радиально перекатятся к центру благодаря продольному перемещению дорна относительно заготовки под действием статической нагрузки.
Таким образом, с каждым ударом бойка по волноводу деформирующие элементы - ролики радиально разводятся и воздействуют на обрабатываемую поверхность, создавая окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения. В промежутках времени между ударами ролики будут радиально сближаться к центру дорна под действием непрерывной статической нагрузки.
Дорн, реализующий предлагаемый способ, эффективно обрабатывает сложнопрофильные отверстия за счет пластической деформации поверхности отверстия профильными деформирующими элементами - роликами со статико-импульсной нагрузкой. При этом происходит упрочнение поверхностного слоя на большую глубину, чем при обычном дорновании, повышение качества обработанной поверхности, что приводит к уменьшению длины дорна.
Глубина упрочненного слоя, полученного предлагаемым способом, увеличивается и достигает 1,5…2,5 мм, что значительно (в 3…4 раза) больше, чем при традиционном статическом дорновании.
Наибольшая степень упрочнения составляет 25…30%. В результате статико-импульсной обработки по сравнению с традиционным дорнованием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 2…2,6 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более - в 1,6…2,2 раза.
ИМ
СТ
np
зaг
Пример. Были проведены исследования влияния параметров статико-импульсного дорнования на показатели качества поверхностного слоя упрочненных сложнопрофильных шлицевых поверхностей отверстий заготовок - втулок. Использовали образцы заготовок - втулок со сложнопрофильным отверстием в виде прямобочных шлиц, размеры которых выполнены по ГОСТ 1139-58. Номинальный размер z×d×D=10×112×120; b=18 мм, материал заготовки - Сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-71. Исходная шероховатость Ra=5…6,5 мкм. Обработку проводили роликами диаметром 30 мм из твердого сплава ВК15, при натягах калибрующего пояска конуса i=0,3…1,0 мм, угле заборного конуса α=3…12°, энергии ударов А=160 Дж, силе ударов Р=260 кН, силе статического поджатия Р=40 кН, частоте ударов f=18 Гц. Обработку вели на модернизированном прессе с использованием специального ГГИ - гидравлического генератора импульсов [4, 5]. Модернизация касалась установки на прессе, на штоке дополнительного гидроцилиндра с волноводом и бойком, осуществляющих дополнительное периодическое импульсное нагружение инструмента-дорна. Смазочно-охлаждающая жидкость - сульфофрезол. Скорость дорнования S=4,5 м/мин. Заготовка перед данным дорнованием имела диаметр отверстия d≈116 мм.
В результате установлено, что после статико-импульсной обработки предлагаемым способом шероховатость поверхностей шлицевого отверстия снизилась до Ra=0,054…1,5 мкм. Глубина упрочненного слоя достигала 8 мм, причем глубина и степень упрочнения возрастала с увеличением толщины стенки и натяга.
Исследованиями качества поверхностного слоя отверстий упрочненных деформируемым сложнопрофильным инструментом предлагаемым способом установлено, что обеспечиваемая шероховатость поверхности и глубина упрочнения позволяет использовать разработанный способ и реализующее его устройство в процессе изготовления заготовок в качестве упрочняющей и формообразующей оснастки на отделочно-упрочняющих операциях.
В результате проведенных исследований установлено, что применение предлагаемого способа позволяет получить поверхностный слой с большой глубиной и большой степенью упрочнения.
Обработка показала, что производительность повысилась более чем в три раза по сравнению с обкатыванием, протягиванием и выглаживанием, используемых на базовом предприятии в ОАО "Ливгидромаш". Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза.
Предлагаемый способ расширяет технологические возможности поверхностного пластического деформирования за счет комбинированной обработки внутренних сложнопрофильных фасонных поверхностей с применением статико-импульсного нагружения деформирующих элементов, при прохождении которых возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемых поверхностей, увеличить производительность и уменьшить потребляемую мощность.
Источники информации
1. Монченко В.П. Эффективная технология производства полых цилиндров. - М.: Машиностроение, 1980. С.31…33; рис.20.
2. Патент РФ №2 312754. МПК В24В 39/02. Способ статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Селеменев К.Ф. Заявка №2006115432/02. 04.05.2006; 20.12.2007 - прототип.
3. Патент РФ №2 312757. МПК В24В 39/02. Устройство для статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Селеменев К.Ф. Заявка №2006116871/02. 16.05.2006; 20.12.2007.
4. Киричек А. В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.
6
5. Патент РФ №2 090 342. МПК В24В 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.