СПОСОБ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА МЕХАНИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ
METHOD OF FLAT SURFACE HARDENING USING ROTOR-TYPE GENERATOR OF MECHANICAL PULSES

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к вибрационным устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) со статико-импульсным нагруженном деформирующих элементов.
Известен способ и реализующее его 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 реализующее его 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, осуществляемый с помощью генератора механических импульсов (ГМИ), для вибрационного статико-импульсного упрочнения, отличающийся независимым регулированием энергии и частоты ударов [3, 4]. В конструкцию ГМИ входят: волновод с закрепленным на нем деформирующим элементом и боек, которые расположены в корпусе, гидроцилиндр статического воздействия на корпус, гидродвигатель, вращающий золотник кранового распределителя, редукционный клапан и дроссель.
Известный способ, осуществляемый с помощью ГМИ, 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 роторного генератора механических импульсов (РГМИ), имеющего кулачки и набегающие на них деформирующие элементы.
Поставленная задача решается предлагаемым способом статико-импульсного вибрационного упрочнения плоских поверхностей, осуществляемым с помощью генератора механических импульсов, при котором деформирующему инструменту, содержащему корпус и сепаратор с деформирующими элементами, сообщают вращательное движение, а заготовке поперечное перемещение, причем корпус выполнен в виде диска с центральным отверстием и полым валом, передающим вращение от индивидуального привода, при этом в периферийных отверстиях корпуса установлены подпружиненные кулачки с возможностью регулирования их вылета в продольном направлении, а сепаратор закреплен на центральном валу, который коаксиально расположен в полому валу, и имеет свой индивидуальный привод, при этом в периферийных отверстиях сепаратора соосно кулачкам установлены деформирующие элементы, выполненные в виде ступенчатых стержней, имеющие тарельчатые пружины для обеспечения статической нагрузки, кроме того, импульсная нагрузка осуществляется за счет воздействия упомянутых кулачков на деформирующие элементы с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения корпуса и скорости вращения сепаратора, а величина импульсной нагрузки регулируется вылетом упомянутых кулачков из корпуса и степенью сжатия кулачковых пружин.
Особенности работы по предлагаемому способу поясняются чертежами.
На фиг.1 изображена схема упрочнения плоской поверхности заготовки предлагаемым способом с использованием разработанного РГМИ, продольный разрез; на фиг.2 - общий вид РГМИ; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - элемент Б на фиг.1, зона контакта кулачка с деформирующим элементом, форма рабочей поверхности кулачка, плоская с углом наклона а; на фиг.5 - элемент Б на фиг.1, зона контакта кулачка с деформирующим элементом, форма рабочей поверхности кулачка, скругленная радиусом R, выпуклая; на фиг.6 - элемент Б на фиг.1, зона контакта кулачка с деформирующим элементом, форма рабочей поверхности кулачка, скругленная радиусом R, вогнутая; на фиг.7, 8, 9 - тарельчатые пружины различной жесткости, обеспечивающие статическую нагрузку на деформирующие элементы и поджим кулачков, варианты конструкций, продольный разрез и вид с торца.
ИК
ИД
ПР
Предлагаемый способ, реализуемый с помощью роторного генератора механических импульсов (РГМИ), предназначен для статико-импульсного упрочнения плоских поверхностей деталей машин поверхностным пластическим деформированием. РГМИ устанавливается, например, на шпиндельной бабке вертикально-фрезерного станка (не показан), корпусу 1 сообщается вращательное движение V относительно собственной продольной оси, сепаратору 2 сообщается встречное вращательное движение V и натяг путем продольного ручного перемещения по направлению S, а заготовке 3, закрепленной на столе, - поперечная подача S.
ИК
Разработанная конструкция РГМИ имеет корпус 1, выполненный в виде диска с центральным отверстием и полым валом 4, передающим вращение V от индивидуального привода (не показан). В периферийных отверстиях 5 корпуса 1 установлены подпружиненные пружинами 6 кулачки 7 с возможностью регулирования их вылета h в продольном направлении. Набором тарельчатых пружин 6, имеющих различную жесткость, благодаря радиальным пазам (см. фиг.7-9), можно устанавливать необходимую нагрузку на кулачки 7. Регулирование усилия, оказываемое пружинами 6 на кулачки 7, осуществляется винтами 8. На фиг.1-2 показаны винты 8 с шестигранным углублением под ключ по ГОСТ 11738-72. Вылет кулачков 7 ограничивает крышка 9, закрепленная на торце корпуса 1 винтами 10.
ИД
Сепаратор 2 жестко закреплен на центральном валу 11 с помощью шпонки и гайки 12. Центральный вал 11 коаксиально расположен в полом валу 4 и имеет свой индивидуальный привод (не показан), позволяющий развивать скорость вращения V как в попутном, так и встречном направлении относительно вращения полого вала 4. Центральный вал 11 имеет опору, состоящую из подшипников качения 13 и распорной втулки 14.
ст
ст
ст
В периферийных ступенчатых отверстиях 15 сепаратора 2 соосно кулачкам 7 установлены деформирующие элементы 16, выполненные в виде ступенчатых стержней. Деформирующие элементы 16 одним торцом контактируют с кулачками 7, а другим - с обрабатывающей поверхностью 17 заготовки 3. Для обеспечения статической нагрузки Р, оказываемой деформирующими элементами на обрабатываемую поверхность, на малой ступени деформирующих элементов 16 установлен пакет тарельчатых пружин 18. На торцах сепаратора 2 установлены крышки 19 и 20, которые предохраняют от выпадания деформирующих элементов 16 и позволяют регулировать Р. Набором тарельчатых пружин 18, имеющих различную жесткость, благодаря радиальным пазам (см. фиг.7-9), можно устанавливать необходимую статическую нагрузку Р.
ИМ
ИК
ИД
ИМ
Импульсная нагрузка Р осуществляется за счет воздействия кулачков 7 на деформирующие элементы 16 с частотой, зависящей от скорости принудительного вращения корпуса V и скорости вращения сепаратора V, а величина импульсной нагрузки Р обеспечивается и регулируется вылетом кулачков 7 из корпуса 1 и степенью сжатия кулачковых пружин 6.
ПР
ст
Обработка по предлагаемому способу с использованием РГМИ заключается в следующем. Заготовка 3 крепится на столе станка, например, в тисках (не показаны). РГМИ устанавливается на шпиндельной бабке станка (не показан). Движением S шпиндельной бабки станка вниз центральный вал 11, сепаратор 2, через крышку 19, пружины 18 статически поджимают с необходимой силой Р деформирующие элементы 16 к упрочняемой поверхности.
ст
В результате этого действия осуществляется пластическое деформирование поверхности заготовки на величину α. При этом зазор между свободным торцом деформирующего элемента и поверхностью кулачка должен оставаться не более h. Величина зазора может быть обеспечена щупом, толщина которого не более h и который устанавливается между торцом деформирующего элемента 16 и крышкой 9 при поджатии РГМИ к упрочняемой поверхности и затем вынимается перед включением вращения валов.
ИК
ИМ
им
ИМ
ик
ид
После статического поджатия РГМИ к упрочняемой поверхности положение РГМИ фиксируется и включается подача S стола с заготовкой, в результате чего заготовка начинает перемещаться в поперечном направлении относительно деформирующих элементов 16. Включается вращение V полого вала 4, который вращает корпус 1, при этом кулачки будут ударять по свободным торцам деформирующих элементов 16 с силой Р, вдавливая их в упрочняемую поверхность на величину α. Величина и направление силы Р зависит от формы кулачков, величины выступа их из корпуса h, от жесткости кулачковых пружин 6, а частота импульсов - от скоростей вращения V и V.
Кулачковые пружины 6 в отверстиях корпуса выполняют функцию демпфирующих элементов, снижающих вибрационные нагрузки на всю конструкцию РГМИ и на станок.
На кинетическую энергию удара будет оказывать влияние угловая скорость движения деформирующих элементов 16 и сила их статического поджатия к упрочняемой поверхности. Количество переданной энергии удара в упрочняемую поверхность будет определяться формой ударных импульсов.
Способ с использованием РГМИ позволяет производить нагружение упрочняемой поверхности ударными импульсами различной формы.
Длительность ударных импульсов регулируется размерами поперечного сечения деформирующих элементов.
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, предлагаемый способ позволяет изменять форму импульса за счет формы и размеров кулачков, что расширяет технологические возможности и упрощает конструкцию.
В отличие от известных способов и устройств появляется возможность использования для нагружения деформирующих элементов не только цилиндрической, но и другой формы, например конической, гиперболической, горообразной и т.д., при этом кулачки могут быть в виде цилиндра или призмы с плоским торцом и с различными значениями угла наклона а торца относительно продольной оси цилиндра (см. фиг.4); скругленным торцом с различным радиусом R, вогнутым (см. фиг.6) или выпуклым (см. фиг.5); фасонным (горообразным, гиперболическим и т.д.).
в
-1
Пример. Производили экспериментальную обработку - упрочнение предлагаемым способом с использованием РГМИ плоской поверхности шириной 80 мм и длиной 590 мм на вертикально-фрезерном станке мод. 6Р13; упрочняли за один проход. Параметр шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки Ra=3,2 мкм. Параметр шероховатости обработанной поверхности готовой детали Ra=0,32 мкм. Материал заготовки - сталь 45 с пределом прочности σ=670 МПа. Станок оснащен устройством для активного контроля обрабатываемых заготовок. Обработку производили РГМИ, у которого корпус имел наружный диаметр 130 мм, упрочняющие, деформирующие элементы располагались на диаметре 100 мм, диаметр деформирующих элементов - 15 мм, их количество - 8 шт. Обработка проводилась при следующих режимах. Частоту вращения корпуса с кулачками и сепаратора принимали разнонаправленную и равную 50 мин, при этом скорость упрочнения составила 31,4 м/мин, подача стола с заготовкой S=250 мм/мин. Охлаждающая жидкость - эмульсия. Деформирующие элементы были изготовлены из сплава марки 38ХМЮА и после азотирования имели твердость 60…64 HRC. Затем их рабочая поверхность была отполирована до Ra=0,04…0,08 мкм. При осевой импульсной нагрузке 400-600 Н упрочнение поверхностного слоя доходило до 15…25%. Для обеспечения необходимого качества и размерной точности обработки потребовалось основного времени 2,8 мин, что в 2,4 раза быстрее, чем при обычном упрочнении.
Глубина упрочненного слоя, обработанного предлагаемым способом с использованием РГМИ, 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 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.
Значения технологических факторов (частота ударов, величина амплитуды, 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.
Упрочненный слой при традиционном статическом накатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. Предлагаемым способом с использованием РГМИ 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 поверхностного пластического деформирования.
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 инструмента. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность инструмента 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 инструмента и заготовки.
Достоинством предлагаемого способа является возможность создания определенной направленности свойств и текстуры поверхностного слоя металла, что повышает качество обработки; РГМИ, с помощью которого реализуется способ, отличается компактностью и высоким КПД, малой энергоемкостью (по сравнению с известными [2-4]), достаточно большой глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности; способ отличается широкими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.
Предлагаемый способ расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности путем использования РГМИ, вырабатывающего импульсную нагрузку, и инструмента специальной формы, а также повышает качество обработки.
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 - прототип.
3. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.
4. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. № 34.