СПОСОБ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВ
DEVICE FOR SCREW STATIC-PULSE STRENGTHENING

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) со статико-импульсным нагружением деформирующих элементов.
Известен способ и 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].
Способ и устройство отличаются 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.
Известен способ и 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].
Способ и устройство отличаются 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.
Известен способ статико-импульсного упрочнения сложнопрофильных деталей, который включает помещение заготовки в камеру с многоэлементным деформирующим инструментом в виде микрошариков или шариков, при этом сообщают вращательное движение заготовке и продольную подачу камере с многоэлементным деформирующим инструментом, выполненной со сквозными отверстиями в ее двух противоположных стенках для обеспечения прохождения заготовки и содержащей две колодки с вогнутыми цилиндрическими поверхностями и затворы с амортизаторами, расположенные в упомянутых сквозных отверстиях камеры, одна из упомянутых колодок, шарнирно соединенная с волноводом, выполнена подвижной, а многоэлементный деформирующий инструмент, размещенный между цилиндрическими вогнутыми поверхностями колодок и заготовкой, охватывает последнюю, при этом прикладывают к многоэлементному деформирующему инструменту импульсную нагрузку посредством подключенного к гидравлическому генератору импульсов первого гидроцилиндра, в котором расположены одинакового диаметра волновод и бок, и статическую нагрузку посредством второго гидроцилиндра, воздействующего на первый гидроцилиндр [3, 4].
Известный способ и реализующее его устройство представляет собой весьма сложную, дорогостоящую, металлоемкую и энергоемкую конструкцию, которая значительно увеличивает себестоимость изготовления обрабатываемых деталей.
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 кулачковым барабаном.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа статико-импульсного упрочнения винтов, включающий сообщение продольной и поперечной подачи для установления натяга устройству для отделочно-упрочняющей обработки и вращательного движения обрабатываемой заготовке, используют устройство для отделочно-упрочняющей обработки, содержащее корпус в виде диска, кулачковый барабан, закрепленный неподвижно относительно корпуса, на торце которого выполнены кулачки, образованные выступами и впадинами, и деформирующие элементы, закрепленные на одних концах пластинчатых пружин, которые другими концами радиально и жестко закреплены на торце диска, а средней частью пластинчатые пружины контактируют с кулачковым барабаном, при этом сообщают вращательное движение диску с деформирующими элементами, обеспечивающее воздействие импульсной нагрузки на деформирующие элементы, и устанавливают продольные оси вращения заготовки и диска с деформирующими элементами взаимно перпендикулярно.
Особенности работы по предлагаемому способу поясняются чертежами. На фиг.1 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ, продольный разрез, и схема упрочнения винтовой поверхности заготовки винта на токарном станке с использованием трехкулачкового самоцентрирующего патрона с поджатием задним центром; на фиг.2 - вид по А на фиг.1, вид с торца устройства; на фиг.3 - общий вид устройства применительно к обработке плоской поверхности; на фиг.4 - вариант крепления деформирующего элемента на пластинчатой пружине с использованием сепаратора; на фиг.5 - элемент Б на фиг.1, положение деформирующего элемента, закрепленного на пластинчатой пружине, когда элемент находится во впадине обрабатываемого винта, а кулачковый барабан контактирует с пластинчатой пружиной впадиной; на фиг.6 - вид В на фиг.5; на фиг.7 - элемент Б на фиг.1, положение деформирующего элемента, закрепленного на пластинчатой пружине, когда элемент находится во впадине обрабатываемого винта, а кулачковый барабан контактирует с пластинчатой пружиной выступом; на фиг.8 - вид В на фиг.7; на фиг.9 - элемент Б на фиг.1, положение деформирующего элемента, закрепленного на пластинчатой пружине, когда элемент находится на выступе витка обрабатываемого винта, а кулачковый барабан контактирует с пластинчатой пружиной впадиной; на фиг.10 - вид В на фиг.9; на фиг.11 - элемент Б на фиг.1, положение деформирующего элемента, закрепленного на пластинчатой пружине, когда элемент находится на выступе витка обрабатываемого винта, а кулачковый барабан контактирует с пластинчатой пружиной выступом; на фиг.12 - вид В на фиг.11.
З
ПР
СТ
ИМ
П
u
Предлагаемый способ предназначен для статико-импульсного упрочнения винтов поверхностным пластическим деформированием (ППД). Устройство, реализующее предлагаемый способ, 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 нагрузки в поперечном направлении S, а также вращательное движение V.
Устройство устанавливается таким образом, что продольные оси вращения заготовки 1 и корпуса 4 с деформирующими элементами 3 взаимно перпендикулярны. Корпус 4 устройства выполнен в виде диска, на торце которого с помощью пластинчатых пружин установлены деформирующие элементы 3. На противоположном торце корпуса выполнен хвостовик в виде конуса 5, предназначенный для крепления в шпинделе индивидуального привода (не показан).
Деформирующие элементы 3 закреплены на одних концах пластинчатых пружин 6, изготовленных, например, из стальной холоднокатаной ленты согласно ГОСТ 21996-76. Пластинчатые пружины 6 радиально и жестко закреплены другими концами на торце корпуса 4. Деформирующие элементы 3 закреплены на одном диаметре D, который выбирается по конструктивным соображениям. Деформирующие элементы 3 могут быть закреплены на пластинчатых пружинах 6 как жестко, так и подвижно с использованием сепаратора 7. Вариант крепления деформирующих элементов 3 на пластинчатых пружинах 6 с использованием сепаратора 7 показан на фиг.4.
Средней частью пластинчатые пружины 6 контактируют с кулачковым барабаном 8, который закреплен неподвижно относительно корпуса 4 и имеет на торце кулачки в виде выступов 9 и впадин 10. Кулачковый барабан 8 установлен соосно корпусу 4 и хвостовику 5, охватывает корпус устройства и имеет количество выступов 9 и впадин 10, равное количеству пластинчатых пружин 6. Кулачковый барабан 8 крепится к неподвижному корпусу индивидуального привода (не показан) и имеет возможность регулирования своей высоты, с целью установки необходимого натяга деформирующих элементов при настройке.
СТ
ИМ
Торцовая поверхность кулачкового барабана 8, обращенная к пластинчатым пружинам, представляет собой впадины 10 и выступы 9, набегая на которые пластинчатые пружины 6 с деформирующими элементами 3 осуществляют статическое Р и импульсное Р воздействие на обрабатываемую винтовую поверхность.
СТ
ИМ
При контактировании пластинчатых пружин 6 с впадинами 10 кулачкового барабана 8, при вращении корпуса инструмента, обеспечивается статическая Р нагрузка, оказываемая деформирующими элементами 3 на обрабатываемую поверхность. При набегании пластинчатых пружин 6 на выступы 9 кулачкового барабана 8 развивается импульсная нагрузка Р.
СТ
им
И
СТ
П
ИМ
Частота воздействия статической Р и импульсной Р нагрузок зависят от скорости вращения V корпуса с деформирующими элементами инструмента. Величина статической Р нагрузки устанавливается путем поперечной подачи S всего устройства, осуществляемой вручную. Величина импульсной нагрузки Р обеспечивается высотой h выступа 9 относительно впадины 10.
И
Если скорость вращения корпуса с деформирующими элементами равна нулю V=0, то устройство будет работать в статическом режиме.
Вращение корпуса с деформирующими элементами обеспечивает импульсную нагрузку и создает импульсный режим работы устройства.
П
Режим загрузки, выгрузки и холостого хода обеспечивается отводом устройства от обрабатываемой заготовки в поперечном направлении S.
Предлагаемый способ осуществляется, например, на токарном станке (не показан), а устройство устанавливается на суппорте токарного станка (не показаны).
З
Работа по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Заготовка винта крепится, например, в токарном патроне токарного станка (не показан) и поджимается центром задней бабки. Включают вращение заготовки V.
ПР
СТ
И
ст
Для работы в статическом режиме суппорт с устройством вручную перемещают в поперечном направлении до касания деформирующих элементов обрабатываемой поверхности заготовки и дают необходимый натяг. Затем включают продольную подачу S и производят обработку упрочнение со статической нагрузкой Р. При этом пластинчатые пружины находятся во впадинах кулачкового барабана и привод вращения корпуса устройства не включен, т.е. V=0. В результате этого действия осуществляется статическое пластическое деформирование поверхности заготовки на величину α.
ИМ
И
ИМ
ИМ
им
Импульсный режим упрочнения ППД, характеризуемый наличием ударной нагрузки Р, осуществляется при вращении корпуса с деформирующими элементами за счет воздействия выступов на пластинчатые пружины с деформирующими элементами с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения корпуса с деформирующими элементами V, а величина импульсной нагрузки Р обеспечивается высотой h выступов относительно впадин. Пластинчатые пружины с деформирующими элементами набегают на неподвижные выступы кулачкового барабана и ударяют с силой Р по заготовке, вдавливая их в упрочняемую поверхность на величину α.
им
И
И
Величина силы Р зависит от формы и величины выступов h, от жесткости пластинчатых пружин, а частота импульсов - от скорости вращения корпуса V. Пластинчатые пружины, на которых установлены деформирующие элементы, дополнительно выполняют функцию демпфирующих элементов, снижающих вибрационные нагрузки на всю конструкцию устройства и на станок. На кинетическую энергию удара оказывает влияние угловая скорость движения корпуса V и сила статического поджатая деформирующих элементов к упрочняемой поверхности. Количество переданной энергии удара в упрочняемую поверхность будет определяться формой ударных импульсов.
Длительность ударных импульсов определяется размерами площадки выступов кулачкового барабана, с которой контактируют плоские пружины с деформирующими элементами.
В отличие от известных схем упрочнения, когда удар осуществляется непосредственно деформирующим элементом и форма импульса регулируется только за счет изменения диаметра и длины деформирующих элементов, в данном способе форма импульса может изменяться за счет формы и размеров выступов, что расширяет технологические возможности ППД и упрощает конструкцию устройства.
Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым способом, 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 предлагаемым способом по сравнению с традиционным накатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 2…3 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7…2,2 раза.
-0,05
0,01
a
Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым способом, проведены экспериментальные исследования обработки винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500 на токарном станке с использованием устройства, конструкция которого приведена выше. 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 рассмотренного устройства, закрепленного на суппорте на месте резцедержателя.
Значения технологических факторов (частоты ударов, величины продольной и поперечной подач, скорости вращения инструмента и 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 способом 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 способом 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 способом предельная величина шероховатости составляет R=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 5 раз.
Микровибрации в процессе 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.
Предлагаемый способ расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности.
Достоинствами предлагаемого способа, реализуемого разработанным устройством, является возможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что повышает качество обработки; способ отличается компактностью и высоким КПД, малой энергоемкостью (по сравнению с известными [3-4]), достаточно большой глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности; способ и устройство отличаются 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. 1616331/25-08. 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.