СПОСОБ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ОТВЕРСТИЙ
METHOD OF STATIC-PULSED HARDENING OF LONG-CUT BORES

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для дорнования, калибрования, деформирующего протягивания и упрочнения металлических внутренних поверхностей длинномерных отверстий деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием с комбинированным статико-импульсным нагружением деформирующего инструмента.
Известен способ и устройство 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 [1, 2].
Известный способ и устройство отличаются ограниченными технологическими возможностями, недостаточно большим натягом, незначительной глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, низким КПД и большой энергоемкостью оборудования. При этом при обработке длинномерных отверстий возможно искажение положения оси отверстия, ее «увод» относительно наружной и торцовой поверхностей обрабатываемой заготовки.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей дорнования за счет приложения статико-импульсной нагрузки к деформирующему инструменту в сочетании с использованием комбинированного тянущего и толкающего воздействия на инструмент, а также адаптации энергии ударных импульсов к условиям пластического деформирования обрабатываемого металла, позволяющие значительно увеличить натяг и глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности, увеличение производительности и КПД, снижение энергоемкости процесса и уменьшения искажение положения оси отверстия, ее «увод» относительно наружной и торцовой поверхностей обрабатываемой заготовки.
Поставленная задача решается предлагаемым способом статико-импульсного упрочнения длинномерных отверстий, включающий приложение к деформирующему инструменту статической нагрузки с натягом вдоль обрабатываемой поверхности и периодической импульсной нагрузки, вырабатываемой гидравлическим генератором импульсов с помощью волновода и бойка, при неподвижной заготовке, установленной на неподвижной опорной плите, причем статическая нагрузка на дорн осуществляется в тянущем воздействии за оправку дорна с помощью пружины сжатия, которая закреплена на салазках, перемещающихся возвратно-поступательно по направляющим с помощью собственного привода, а периодическая импульсная нагрузка осуществляется при толкающем воздействии на оправку дорна волновода за счет удара по нему бойка с помощью гидравлического генератора импульсов, установленного на салазках и имеющего тормозную камеру, дающую возможность адаптации энергии импульсной нагрузки к условиям пластического деформирования обрабатываемого металла: при увеличении сопротивления внедрению инструмента кинетическая энергия ударов увеличивается и наоборот.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом.
На фиг.1 представлена схема обработки длинномерного отверстия поверхностным пластическим деформированием - дорнованием с использованием комбинированной нагрузки: статической - тянущего воздействия и импульсной - толкающего воздействия на дорн, вид сверху.
СТ
ИМ
Предлагаемый способ предназначен для упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД) дорнованием длинномерных отверстий заготовок 1 деталей машин, основными отличительными особенностями которого являются использование для нагружения комбинированной статической P и ударной импульсной Р нагрузки комбинированного тянущего и толкающего воздействия на деформирующий инструмент 2, а также возможность адаптации энергии импульсной нагрузки к условиям пластического деформирования обрабатываемого металла: при увеличении сопротивления внедрению инструмента кинетическая энергия ударов увеличивается и наоборот.
СТ
ПР
СТ
ИМ
Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, содержащее деформирующий инструмент - дорн 2, состоящий из деформирующих колец, посаженных на оправке. Оправка дорна имеет тянущий конец, расположенный слева (согласно фиг.1) от деформирующих элементов, к которому прикладывают тянущую статическую нагрузку Р. Опорная плита 3 базируется на неподвижных стойках 4 и имеет отверстие, через которое свободно проходит дорн. Устройство имеет направляющие 5, по которым в продольном направлении S перемещаются салазки 6. К салазкам с помощью пружины 7 за левый тянущий конец оправки закреплен дорн. Салазки передают статическую нагрузку Р дорну, развиваемую, например, специальным отдельным гидроцилиндром (не показан), присоединенным к салазкам. На правый (согласно фиг.1) толкающий конец оправки дорна воздействует посредством волновода и бойка гидравлический генератор импульсов (ГГИ) 8, который жестко смонтирован на салазках и перемещается вместе с ними [3, 4]. Рабочий элемент ГГИ боек 9 в процессе работы ударяет по рабочему элементу волноводу 10 и передает через него ударные импульсы Р дорну, проталкивая последний вдоль обрабатываемого отверстия заготовки. Для ограничения хода волновода, совершаемого под действием на него через салазки статической нагрузки, в корпусе ГГИ предусмотрен палец 11.
ПР
СТ
ИМ
Реализация процесса дорнования осуществляться при относительном движении S заготовки и инструмента - дорна, состоящего из деформирующих колец, посажанных на оправке. В работе устройства неподвижной остается заготовка, которая торцом упирается в плиту, базируемую на неподвижных стойках, и имеющую отверстие, через которое свободно проходят деформирующие кольца дорна. Дорн перемещается вдоль упрочняемого отверстия: с одной стороны его тянет статическая нагрузка Р, а с другой - толкает ударная импульсная Р нагрузка. Статическая нагрузка дорну сообщается продольным перемещением по направляющим салазок, за которые дорн закреплен левым концом через пружину. Ударная импульсная нагрузка сообщается правому торцу дорна гидравлическим генератором импульсов, который жестко смонтирован на салазках и перемещается вместе с ними. Рабочими элементами гидравлического генератора импульсов являются боек и волновод. В процессе работы гидравлического генератора импульсов боек ударяет по волноводу, передавая через него ударные импульсы дорну и проталкивая его вдоль обрабатываемого отверстия. Для ограничения хода волновода, совершаемого под действием на него статической нагрузки, в корпусе генератора импульсов предусмотрен палец.
ПР
Обработку длинномерных отверстий предлагаемым способом осуществляют следующим образом. Заготовку устанавливают таким образом, чтобы ее левый торец упирался в опорную плиту. Левый тянущий конец оправки дорна пропускают сквозь упрочняемое отверстие заготовки таким образом, чтобы первое (направляющее) кольцо частично вошло в упрочняемое отверстие, после чего правый толкающий торец дорна подпирают волноводом гидравлического генератора импульсов, а левый тянущий конец оправки дорна крепят к салазкам через пружину. При включении подачи S пружина начинает сжиматься, а кольца дорна внедряться в упрочняемое отверстие, пластически деформируя его стенки. По мере увеличения внедрения дорна в обрабатываемое отверстие сопротивление внедрению будет увеличиваться, а скорость внедрения будет уменьшаться за счет увеличения скорости сжатия пружины. В результате скорость перемещения салазок с жестко закрепленным на нем гидравлическим генератором импульсов будет больше скорости внедрения дорна в отверстие заготовки. За счет этого волновод гидравлического генератора импульсов, под действием на него дорна, будет перемещаться вправо, взводя боек. Как только величины взвода бойка будет достаточно (обычно это происходит, когда боек полностью выходит из тормозной камеры, т.е. компенсируется расстояние Δ), произойдет его удар по торцу волновода. Величина взвода бойка будет определять энергию ударов: чем больше смещение бойка вправо, тем больше энергия ударов. Таким образом, чем больше сопротивление прохождению дорна через отверстие, тем большая энергия ударов будет сообщаться дорну, т.е. происходит адаптация энергии ударных импульсов к условиям пластического деформирования. Увеличение энергии ударных импульсов будет происходить до максимально возможной величины для данной конструкции гидравлического генератора импульсов. Для ограничения дальнейшего передвижения бойка вправо под действием статической нагрузки, которое может привести к снижению величины разгона бойка и соответственно снижению скорости и энергии ударов, предусмотрен ограничительный палец. Подача салазок рассчитывается таким образом, чтобы сила статического воздействия осуществляла, в основном, направляющее действие на дорн, исключая «увод» оси отверстия, характерный при прошивании, а упругопластическое деформирование упрочняемой поверхности осуществлялось за счет импульсной ударной нагрузки.
СТ
Пример. Упрочняли предлагаемым способом длинномерные заготовки гильз гидроцилиндров длиной более 150…200 мм с толщиной стенки 5…20 мм, изготовленные из стали 45, с использованием специального ГТИ, осуществляющего дополнительное периодическое импульсное нагружение инструмента - дорна. Наибольшее значение энергии ударов, развиваемые ГГИ, А=280 Дж (сила удара 260 кН, скорость удара 7,2 м/с), при частоте ударов f=5…15 Гц. Натяг инструмента составлял 0,5…1,5 мм, ширина деформирующей ленточки - 10…40 мм. Статическое нагружение осуществлялось гидроцилиндром силой до P=40 кН. Потребляемая мощность всей установки, включая гидроцилиндр, осуществляющий предварительное статическое нагружение, не превышало 18 кВт. Использование комбинированной статической и ударной импульсной нагрузки, а также комбинированного тянущего и толкающего воздействия на дорн преимущественно определяло параметры наклепанного слоя. Оценка производительности процесса показала, что с повышением натяга и уменьшением диаметра инструмента требуется снижение скорости обработки отверстий.
Установлено, что производительность возросла более чем в два раза по сравнению с обычным дорнованием.
Комбинированная статико-импульсная обработка длинномерных отверстий показала, что параметр шероховатости обработанных поверхностей гильз уменьшился до значения Ra=0,5…0,065 мкм при исходном - Ra=5…6,5 мкм, энергоемкость процесса составила 18 кВт, что в 2,2 раза меньше, чем при традиционном дорновании (до 40 кВт). Глубина упрочненного слоя достигла 1,7…2,2 мм. Наибольшая степень упрочнения составляла 21…26%. В результате статико-импульсной обработки эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возросла в 1,8…2,4 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более - в 1,7…2,1 раза. Также установлено, что с увеличением диаметра инструмента происходит уменьшение удельного давления на нагружаемую поверхность, а это приводит к улучшению условий прохождения инструмента через обрабатываемое отверстие. Увеличение удельного давления снижает шероховатость, при этом поверхность приобретает профиль с периодически повторяющимся шагом, что положительно сказывается на работоспособности упрочненных таким образом заготовок.
Предлагаемый способ расширяет технологические возможности дорнования за счет применения статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, а также за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом внутренних поверхностей отверстий путем использования комбинированного нагружения инструмента.
Предлагаемый способ позволяет повысить производительность процесса дорнования, вести обработку с большим натягом, высоким КПД и минимальной энергоемкостью оборудования.
Предлагаемый способ сочетает преимущества протягивания и прошивания и впервые позволяет упрочнять ППД отверстия большой длины с использованием ударной нагрузки, что дает возможность снизить энергоемкость процесса, увеличить глубину упрочненного поверхностного слоя и уменьшить искажение положения оси отверстия, ее «увод» относительно наружной и торцовой поверхностей обрабатываемой заготовки.
Предлагаемый способ реализует возможность адаптировать энергию ударных импульсов к условиям пластического деформирования обрабатываемого металла: при увеличении сопротивления внедрению инструмента кинетическая энергия ударов увеличивается и наоборот.
Источники информации
1. Патент РФ №2312757, МПК B24B 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.
2. Патент РФ №2312754, МПК B24B 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. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.
6
4. Патент РФ №2090342, МПК B24B 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.