УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВ
DEVICE FOR SCREW STATIC-PULSE STRENGTHENING

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей типа винтов из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) со статико-импульсным нагружением деформирующих элементов.
Известно устройство для упрочняющей обработки, состоящее из вибратора возвратно-продольных колебаний деформирующего элемента и кулачка, приводимого во вращение от электродвигателя через бесступенчатый редуктор, и предназначенного для возбуждения поперечных колебательных движений этого деформирующего элемента [1].
Устройство отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.
Известно устройство для ударного вибронакатывания, содержащее корпус, сепаратор с деформирующим элементом, опору в виде гладкого ролика, установленную в корпусе с возможностью вращения, при этом оно снабжено приводом опоры и упругим элементом, один конец которого закреплен на корпусе, а другой на сепараторе [2].
Устройство отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.
Известно устройство для статико-импульсного упрочнения сложно-профильных деталей, содержащее камеру, которая заполнена деформирующими элементами в виде микрошариков или шариков и выполнена с возможностью размещения в ней заготовки, и волновод, при этом оно снабжено размещенными в камере двумя колодками с вогнутыми цилиндрическими поверхностями, бойком, первым гидроцилиндром, подключенным к гидравлическому генератору импульсов для создания импульсной нагрузки на деформирующие элементы и вторым гидроцилиндром, выполненным с возможностью воздействия на первый гидроцилиндр для создания статической нагрузки на деформирующие элементы, последние расположены между цилиндрическими вогнутыми поверхностями колодок и заготовкой с возможностью охватывания последней, одна из упомянутых колодок выполнена с возможностью передвижения и шарнирно соединена с волноводом, камера выполнена со сквозными отверстиями в ее двух противоположных стенках для обеспечения прохождения заготовки и содержит затворы с амортизаторами, расположенные в упомянутых сквозных отверстиях камеры, при этом волновод и боек выполнены одинакового диаметра и расположены в первом гидроцилиндре [3, 4].
Известное устройство представляет собой весьма сложную, дорогостоящую, металлоемкую и энергоемкую конструкцию, которая значительно увеличивает себестоимость изготовления обрабатываемых деталей, устройство отличается ограниченными возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, при минимальной энергоемкости и трудоемкости изготовления оснастки путем использования устройства имеющего деформирующие элементы, подвешенные на упругих пластинах, взаимодействующие с волноводом и бойком.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного упрочнения винтов, содержащего корпус с расположенными в нем деформирующими элементами, бойком и волноводом, выполненным с возможностью приложения к нему с помощью бойка периодической импульсной нагрузки, вырабатываемой гидравлическим генератором импульсов, отличающееся тем, что оно снабжено гайкой, пластинчатыми пружинами, изогнутыми V-образно, и цилиндрическими винтовыми пружинами сжатия для возвращения волновода в первоначальное положение, установленными между гайкой и свободным торцом волновода, корпус выполнен с центральным отверстием для расположения в нем заготовки, волновод выполнен в виде втулки, пластинчатые пружины одним концом жестко закреплены на поверхности отверстия корпуса, на их другом конце установлены упомянутые деформирующие элементы, а на их средней части закреплены кулачки, выполненные с возможностью контакта с внутренней поверхностью волновода для обеспечения радиального перемещения и выпрямления концов пластинчатых пружин с деформирующими элементами под действием периодической импульсной нагрузки.
Особенности конструкции и работы предлагаемого устройства поясняются чертежами.
На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез, и схема упрочнения винтовой поверхности заготовки винта на токарном станке с использованием трехкулачкового самоцентрирующего патрона с поджатием задним центром, устройство показано в рабочем положении в момент действия импульсной нагрузки; на фиг.2 - устройство в момент холостого хода, когда деформирующие элементы отведены от поверхности заготовки, частичный продольный разрез; на фиг.3 - вид А на фиг.1, общий вид устройства с торца; на фиг.4 - поперечное сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - элемент В на фиг.1, положения деформирующего элемента во время действия импульсной нагрузки и холостого хода (тонкой линией); на фиг.6 - элемент Г на фиг.2, деформирующий элемент закреплен в сепараторе, положение деформирующего элемента во время холостого хода.
З
ПР
СТ
ИМ
П
Предлагаемое устройство предназначено для статико-импульсного упрочнения винтов поверхностным пластическим деформированием (ГШД). Устройство устанавливается, например, на суппорте токарного станка (не показан), заготовке винта 1, закрепленной в трехкулачковом самоцентрирующем патроне 2 и поджатой задним центром, сообщается вращательное движение V относительно собственной продольной оси, устройству - продольная подача S, а деформирующим элементам 3 - статическая Р и импульсная Р радиальная нагрузки, направленные к центру заготовки S.
Предлагаемое устройство имеет корпус 4, который является частью гидроцилиндра, который охватывает заготовку 1. Гидроцилиндр выполнен в виде двух концентрических цилиндров: наружного и внутреннего, где расположены волновод 5 и боек 6, изготовленные в виде втулок.
На внутренней поверхности внутреннего цилиндра жестко одним концом закреплены V-образно изогнутые пластинчатые пружины 7. Пластинчатые пружины 7 изготовлены, например, из стальной холоднокатаной ленты согласно ГОСТ 21996-76. На другом свободном конце пластинчатых пружин 7 установлены деформирующие элементы 3. Деформирующие элементы 3 могут быть закреплены на пластинчатых пружинах 7 как жестко, так и подвижно с использованием сепаратора. Вариант крепления деформирующих элементов 3 на пластинчатых пружинах 7 с использованием сепаратора 8 показан на фиг.6. На средней части пластинчатых пружин 7 закреплены кулачки 9, которые контактируют с внутренней, расположенной под углом к продольной оси, поверхностью волновода 6 таким образом, что при возвратно-поступательном продольном перемещении волновода кулачки и свободный конец пластинчатых пружин с деформирующими элементами будут перемещаться в радиальном направлении.
ИМ
Волновод 6 представляет собой втулку и помещен между наружным и внутренним цилиндрами корпуса 4. Периодическая импульсная Р нагрузка волновода 6, направленная продольно, преобразуется на дополнительное сообщение радиального перемещения свободных концов пластинчатых пружин 7 с деформирующими элементами 3. При ударе бойка 5 по волноводу 6 последний выдвигается из корпуса 4 и, контактируя с кулачками 9, радиально перемещает к центру свободные концы пружин 7 с деформирующими элементами 3, выпрямляя пружины и совершая удар по упрочняемой поверхности заготовки 1.
Для возвращения волновода 6 в первоначальное положение, а именно перемещение к корпусу 4, служат цилиндрические винтовые пружины сжатия 10, установленные между гайкой 11, которая навинчена на наружный цилиндр корпуса 4, и свободным торцом волновода 5.
СТ
СТ
СТ
СТ
МАХ
МАХ
Устройство может работать в статическом режиме, когда гидравлический генератор импульсов (не показан) выключен и не вырабатывает импульсную нагрузку, при этом боек 5 не работает, а волновод 6 установлен в крайнем левом положении (согласно фиг.1), при этом деформирующие элементы 3 оказывают максимальное статическое Р  воздействие на обрабатываемую поверхность 1. При установке волновода 6 в промежуточном положении между крайним левым (фиг.1) и правым (фиг.2) положениями можно нагрузить деформирующие элементы любой статической Р нагрузкой в пределах Р >P>0.
ИМ
Предлагаемое устройство наиболее эффективно работает в импульсном режиме, когда гидравлический генератор импульсов (не показан) включен и вырабатывает импульсную нагрузку, боек 5 работает и воздействует на волновод 6 (согласно фиг.1) в продольном направлении, при этом деформирующие элементы 3 воспринимают периодическую импульсную Р нагрузку и перемещаются в поперечном радиальном направлении и оказывают упрочняющее воздействие на обрабатываемую поверхность 1.
Если волновод 6 не будет доходить до крайнего правого положения, т.е. до положения как при холостом ходе (фиг.2), то устройство будет работать в статико-импульсном режиме.
Частота импульсного воздействия деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность зависит от частоты ударов бойка по волноводу.
В результате удара бойка по торцу волновода в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать на пластинчатую пружину с деформирующим элементом и на обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов. Дойдя до обрабатываемой поверхности, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы упрочнения, которая интенсифицирует процесс.
Возможность рационального использования энергии ударных волн определяется размерами устройства экспериментально.
ИМ
Общая продольная периодическая импульсная нагрузка Р бойка по волноводу воспринимается пластинчатыми пружинами и равномерно распределяется на каждый деформирующий элемент.
ИМ
Периодическая импульсная нагрузка Р должна быть больше суммарной силы, требуемой для деформации консольной части пластинчатых пружин, для преодоления сопротивления цилиндрических винтовых пружин 10 и силы, необходимой для упрочнения. Отвод волновода и бойка после удара в первоначальное положение (согласно фиг.1-2, вправо) осуществляется за счет упругости цилиндрических винтовых пружин 10 и возвращения отогнутой части пластинчатых пружин в первоначальное свободное состояние.
ИМ
Импульсный режим ППД, характеризуемый наличием ударной нагрузки Р, осуществляется за счет удара бойка по волноводу и далее воздействия последнего на кулачки пластинчатых пружин с деформирующими элементами с частотой, зависящей от частоты гидравлического генератора импульсов [5-7], питающего гидроцилиндр корпуса 4.
ИМ
ИМ
им
Величина импульсной нагрузки Р обеспечивается жесткостью пластинчатых пружин и величиной их прогиба, зависящей от конструктивных параметров кулачков 9. При наезде волновода на кулачки пластинчатые пружины прогибаются, а деформирующие элементы ударяют с силой Р по упрочняемой поверхности, вдавливаясь в нее на величину α.
Точность формы обрабатываемой поверхности заготовки предлагаемым устройством повышается и снижается величина шероховатости благодаря самоцентрированию и самоустановке деформирующих элементов на обрабатываемой поверхности при ее биениях и вибрациях. Устройство, охватывая обрабатываемую заготовку по всему диаметру в поперечном сечении, поддерживает заготовку как люнет.
Пластинчатые пружины, на которых установлены деформирующие элементы, дополнительно выполняют функцию демпфирующих элементов, снижающих вибрационные нагрузки на всю конструкцию предлагаемого устройства и на станок.
-0,05
±0,01
a
Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым устройством, проведены экспериментальные исследования обработки винта с использованием гидравлического генератора импульсов [5-7]. Обрабатывался винт левый Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500, на токарном станке с использованием предлагаемого устройства. Винт (см. фиг.1) 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 (частоты ударов, величина продольной подачи, скорости вращения заготовки и др.) 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.
ст
им
Величины сил статической и импульсной нагрузок деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность составляли Р=25…40 кН; Р=255…400 кН. Глубина упрочненного статико-импульсной 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 устройством аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного воздействия на очаг деформации пролонгированного импульса энергии. При близких степенях упрочнения поверхностного слоя величина статической составляющей нагрузки предлагаемым устройством значительно меньше.
Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя статико-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 ППД.
a
Достигаемая в процессе обработки предлагаемым устройством предельная величина шероховатости составляет R=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 5 раз.
Микровибрации в процессе, реализуемом предлагаемым устройством, благоприятно сказываются на условиях работы деформирующих элементов. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей деформирующих элементов и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность элементов периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта деформирующих элементов и заготовки.
Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки винтов поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности.
Достоинствами предлагаемого устройства являются возможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что повышает качество обработки; устройство отличается компактностью и высоким КПД, малой энергоемкостью (по сравнению с известными [5-7]), достаточно большой глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности; устройство отличается широкими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.
Источники информации
1. А.с. СССР 366062, МПК В24В 39/00. Способ упрочнения поверхности металлических деталей. Г.М.Азаревич. 1616331/25-8. 07.12.1970; 10.01.1973.
2. А.с. СССР 1238952, МПК В24В 39/00. Устройство для ударного вибронакатывания. Ю.Г.Шнейдер, Б.Н.Букин, Г.Р.Круглов. 3818752/25-27.04.12.1984; 23.06.1986.
3. Патент РФ 2319596. МПК В24В 39/04. Устройство для статико-импульсного упрочнения сложнопрофильных деталей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И., Самойлов Н.Н., Фомин Д.С., Михайлов Г.А., Иножарский В.В., Гаврилин A.M., Селеменев К.Ф. Заявка № 2006125126/02. 12.07.06. 20.03.2008. Бюл. № 8.
4. Патент РФ 2319597. МПК В24В 39/04. Способ статико-импульсного упрочнения сложнопрофильных деталей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И., Самойлов Н.Н., Фомин Д.С., Михайлов Г.А., Иножарский В.В., Гаврилин A.M., Селеменев К.Ф. Заявка № 2006125135/02. 12.07.06; 20.03.2008. Бюл. № 8.
5. Патент РФ 2098259, МКИ6 В24В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. 96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. № 34.
6. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, № 6. - С.20-24.
7. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. № 34.