СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВ
METHOD OF SCREW HARDENING

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для отделочно-упрочняющей обработки винтов из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статическим нагружением деформирующего пружинного инструмента.
Известен способ упрочнения цилиндрических валов поверхностным пластическим деформированием, включающий сообщение вращательного движения заготовке и движение подачи вдоль обрабатываемой заготовки деформирующему устройству, содержащему подпружиненный держатель и смонтированный в нем с возможностью свободного вращения деформирующий элемент, который выполнен в виде пружины с наружным диаметром, не кратным диаметру упрочняемой поверхности [1].
Известный способ и инструмент 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 реализующий его упрочняющий инструмент для отделочной обработки поверхностным пластическим деформированием, который содержит неподвижное основание, подвижный корпус и вал, установленный на подшипниках, на котором размещен деформирующий инструмент в виде винтовой пружины, при этом между корпусом и основанием установлен упругий элемент, создающий силу деформирования [2].
Известный способ и инструмент 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, при этом его использование для обработки винтов потребует весьма больших затрат.
Известен способ упрочнения или ступенчатых валов, или эксцентриковых валов, или винтов с небольшой высотой профиля пружинным инструментом, содержащим держатель с подшипниками, в которых установлена оправка с деформирующим элементом, причем он снабжен упругими кольцами, деформирующий элемент выполнен в виде установленной на упругих кольцах стальной пружины с витками круглого сечения, на внутренней поверхности которых выполнена продольная дорожка с профилем, подобным профилю наружной поверхности упругих колец для осуществления возможности контакта поверхности дорожки витка с наружной поверхностью упругих колец, при этом последние неподвижно закреплены в направлении витков пружины на оправке, а концы пружины жестко заделаны на оправке с возможностью регулирования натяга витков пружины на упругих кольцах [3].
Известный способ и инструмент 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, при этом сложность конструкции, ее изготовление, сборка и эксплуатация ограничивает область применения и требует больших затрат.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности, при минимальной энергоемкости и трудоемкости изготовления оснастки путем использования упругого многоэлементного деформирующего инструмента в виде винтовой пружины с витками, выполненными из трубы.
Поставленная задача решается предлагаемым способом упрочнения винтов, включающим сообщение вращательного движения заготовке, прижатие к поверхности заготовки упрочняющего устройства и его поступательное перемещение вдоль оси вращающейся заготовки, причем используют упрочняющее устройство, содержащее неподвижное основание, подвижный корпус, вал, установленный на подшипниках в корпусе, упругий элемент, создающий силу деформирования, установленный между корпусом и основанием, и размещенный на валу деформирующий элемент в виде винтовой цилиндрической пружины, изготовленной из трубы, стенки которой выполнены с возможностью упругого деформирования, на валу выполнена винтовая дорожка с профилем, подобным профилю внутренней поверхности витков винтовой цилиндрической пружины, на которой жестко закреплены витки пружины, при этом труба, из которой изготовлена пружина имеет радиус наружной поверхности R>1,7H, где Н - высота профиля упрочняемого винта. Кроме того, на наружной рабочей поверхности витков винтовой цилиндрической пружины выполнены впадины.
Сущность способа поясняется чертежами.
На фиг.1 показана схема упрочнения винтов с небольшой высотой профиля по предлагаемому способу, частичный продольный разрез; на фиг.2 - поперечный частичный разрез А - А на фиг.1, где деформирующий элемент имеет сплошную наружную рабочую поверхность; на фиг.3 - поперечный частичный разрез А - А на фиг.1, наружная рабочая поверхность деформирующего элемента - прерывистая, имеющая впадины и выступы.
Предлагаемый способ и устройство, реализующее его, предназначены для обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) винтов 1, например винтов винтовых насосов.
З
ПР
Обработку выполняют на токарных, карусельных, фрезерных станках и обрабатывающих центрах с сообщением вращательного движения заготовке - V, а инструменту - движение продольной подачи S при обработке тел вращения и с сообщением возвратно-поступательного продольного и поперечного движений при обработке плоских поверхностей.
Устройство содержит неподвижное основание 2, подвижный относительно основания корпус 3 и вал 4. Вал 4 на подшипниках 5 установлен в подвижном корпусе 3. На средней шейке вала 4 размещен деформирующий инструмент 6 в виде винтовой цилиндрической пружины.
Между корпусом 3 и основанием 2 установлен упругий элемент 7, создающий силу
СТ
Р деформирования при поперечном перемещении основания 2.
Деформирующий элемент - пружина 6 изготовлена из трубы, например, с размерами и техническими условиями, принятыми по ГОСТ 8734-75, трубы бесшовной холоднодеформируемой, стенки которой имеют возможность упруго деформироваться. Витки винтовой деформирующей пружины 6 жестко закреплены на валу 4 в винтовой дорожке с профилем, подобным профилю внутренней поверхности витков. Крепление осуществляют, например, клеем, сваркой, пайкой и др. известными способами.
Радиус R наружной поверхности трубы выбирают из условия: R>1,7Н, где Н - высота профиля упрочняемого винта.
Наружная рабочая поверхность витков 6 выполнена гладкой (см. фиг.2), но, как вариант, может иметь впадины (см. фиг.3), глубина которых больше толщины стенки трубы, поэтому впадины соединены с продольным отверстием трубы. Впадины способствуют увеличению глубины упрочненного слоя обрабатываемой поверхности заготовки, благодаря впадинам реализуется ударное воздействие как более эффективное, чем статическая нагрузка, воздействующая на сплошную рабочую поверхность деформирующего элемента.
СТ
ПР
З
При обработке устройство деформирующим элементом 6 прижимают к обрабатываемой поверхности 1 заготовки с усилием P, создают натяг h путем поперечного перемещения основания 2 и сообщают продольную подачу S, a заготовке сообщают вращательное движение V. При этом вал 4 устройства с деформирующим элементом 6 вращается относительно собственной оси за счет контактного трения с заготовкой.
Предлагаемое устройство с деформирующим элементом 6 крепится на суппорте в резцедержателе токарного станка (не показан), обрабатываемая заготовка винта 1 закрепляется в патроне 8 шпинделя 9 передней бабки 10 и поджимается центром 11 задней бабки 12. При обработки длинных и нежестких заготовок традиционно используют подвижный люнет (не показан).
СТ
Перед включением станка производят настройку на нужное усилие упрочнения путем поперечного перемещения основания 2. Упругий элемент 7, воздействуя на корпус 3, создает статическую силу деформирования Р, которая прогибает виток деформирующей пружины 6, причем форма прогиба витка в поперечном сечении в зоне контакта будет соответствовать форме винтовой обрабатываемой поверхности заготовки в продольном сечении. Так как натяг деформирующих витков будет различный и зависит от того, с выступом или впадиной заготовки контактирует в данный момент виток деформируемого элемента, поэтому величину натяга h устанавливают по впадине заготовки.
З
ПР
Включают главное движение V - вращение заготовки 1 и одновременно устройству с деформирующим элементом сообщают поступательную продольную подачу S. Свободно установленный с помощью подшипников 5 вал 4 с деформирующим элементом 6 получает вращение относительно собственной оси за счет контактного трения с заготовкой 1.
В зависимости от конструкции деформирующего элемента 6 различают два режима работы устройства:
1-ый спокойный режим упрочнения под действием статической нагрузки - рабочая поверхность витков деформирующего элемента сплошная без впадин и выступов;
2-ой импульсный режим под действием статический нагрузки, однако, рабочая поверхность витков деформирующего элемента имеет впадины и выступы.
СТ
Устройство, работающее в первом режиме, имеет деформирующий элемент 6 с гладкой без впадин и выступов рабочей поверхностью и устанавливается с натягом h (см. фиг.2) относительно обрабатываемой заготовки. Статическая сила P деформирования создается упругим элементом 7. Деформация витка увеличивает площадь пятна контакта и интенсифицирует процесс упрочнения по сравнению с известными устройствами.
Устройство, работающее во втором режиме, имеет рабочую поверхность деформирующего элемента с впадинами и выступами (см. фиг.3), которые создают импульсное воздействие при набегании впадины витка деформирующего элемента на наружную поверхность заготовки, при этом величина натяга уменьшается до нуля, а затем на выступе вновь возрастает и т.д., все это сопровождается ударом. При контакте заготовки с выступом витка деформирующего элемента, выступ прогибается, как показано на фиг.3, по причине того, что деформирующий элемент выполнен из трубы с тонкими стенками. Такая деформация выступа витка увеличивает площадь пятна контакта и интенсифицирует процесс упрочнения.
СТ
Таким образом, помимо статического воздействия Р на обрабатываемую поверхность 1, деформирующие элементы 6 с впадинами и выступами оказывают импульсное ударное воздействие.
СТ
При определенном (рабочем) усилии Р как при безударном, так и ударном воздействии в зоне контакта деформирующих элементов и заготовки интенсивность напряжений превышает предел текучести, в результате чего происходит пластическая деформация микронеровностей, изменяются физико-механические свойства и структура поверхностного слоя (например, увеличивается микротвердость или возникают остаточные напряжения в поверхностном слое).
З
При ударном воздействии упрочняющего усилия частота ударов выступов витков деформирующего элемента по заготовке зависит от частоты вращения V, расстояния между выступами, шага пружины деформирующего элемента 6.
СТ
При безударном действии на витки деформирующих элементов статической нагрузки Р внедрение их в обрабатываемую поверхность происходит на меньшую величину, чем при импульсной ударной нагрузке. Внедрение деформирующих элементов в обрабатываемую поверхность под действием удара происходит на большую величину.
Глубина упрочненного слоя обработанного прерывистым деформирующим элементом достигает 1,6…2,4 мм, что значительно (в 3…4 раза) больше, чем при традиционном статическом упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15…30%. В результате данной статической ударной обработки по сравнению с традиционном упрочнении эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 2…2,5 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,7…2,2 раза.
Предлагаемый способ и устройство расширяют технологические возможности процесса ППД. Объемная деформация заготовки незначительна.
В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,1…0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8…3,2 мкм. Твердость поверхности увеличивается на 30…80% при глубине наклепанного слоя 0,3…3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 300…700 МПа.
Предварительная обработка заготовки: шлифование до значения параметра шероховатости Ra=0,4…1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью Ra=3,2 мкм. Упрочнение предлагаемым способом применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 56…60.
Деформирующие элементы 3 изготовляют из сталей: легированных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А, быстрорежущих Р6М5, Р9. Твердость рабочей поверхности витков из сталей HRC 62…65. Параметр шероховатости рабочего профиля витков пружины Ra=0,32 мкм.
Производительность процесса упрочнения предлагаемым способом и разработанным устройством определяется радиусом витка пружины деформирующего элемента, размерами выступов и впадин, а также диаметром трубки, из которой изготовлен деформирующий элемент.
Устройство с большим радиусом витка пружины деформирующего элемента и диаметром трубки позволяет вести обработку с большой подачей (до 3 мм/об), однако в этом случае для получения высокого качества поверхности необходимо создавать большие рабочие усилия. От значения допустимого рабочего усилия зависят параметры деформирующего элемента.
Предлагаемый способ упрочнения, осуществляемый сплошным деформирующим элементом, а также с большим количеством выступов и впадин, обеспечивает необходимое усилие контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью.
Изменение размера поверхности, упрочненной предлагаемым способом, связано со смятием микронеровностей и пластической объемной деформацией заготовки.
Таким образом, точность обработанной заготовки будет зависеть от ее конструкции и конструкции устройства для упрочнения, режимов обработки, а также от точности размеров, формы и качества поверхности заготовки, полученной при обработке на предшествующем переходе.
При этом точность размеров существенно не меняется. Неблагоприятные условия обработки заготовки вблизи торцов приводят к увеличенной пластической деформации заготовки на участках длиной 3…15 мм.
Наиболее целесообразно упрочнением обрабатывать исходные поверхности 7…11-го квалитетов.
При ППД предлагаемым способом практически достигаются параметры шероховатости Ra=0,2…0,8 мкм при исходных значениях этих параметров 0,8…6,3 мкм. Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от материала, рабочего усилия или натяга, подачи, исходной шероховатости, конструкции деформирующего элемента и т.д.
Предлагаемое статическое и импульсное упрочнение следует проводить так, чтобы заданные результаты достигались за один проход. Не следует использовать обратный ход в качестве рабочего хода, так как повторные проходы в противоположных направлениях могут привести к излишнему деформированию и отслаиванию поверхностного слоя.
ст
СТ
2
Скорость заготовки оказывает влияния на результаты обработки и выбирается с учетом требований производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость заготовки составляет 10…50 м/мин. Значение усилия упрочнения выбирают в зависимости от цели обработки. Оптимальное усилие Р (Н), соответствующее максимальному пределу выносливости, определяют по формуле: Р=500+1,66 D, где D - диаметр упрочняемой поверхности заготовки (при упрочнении винтов D - диаметр по впадинам).
ПР
пр
ПР В
Продольную подачу при упрочнении принимают 0,2…3 мм/об. Оптимальная продольная подача S в на один виток деформирующего элемента не должна превышать 0,1…0,5 мм/об. Подачу на один оборот заготовки определяют по формуле: S=kS, где k - число деформирующих витков.
Смазочно-охлаждающей жидкостью при упрочнении служат машинное масло, смесь машинного масла с керосином (по 50%), сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.
-0,05
±0,01
a
З
пр
Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного по предлагаемому способу и разработанным устройством, проведены экспериментальные исследования обработки винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500, который 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, высота профиля - 1,65 мм, шероховатость R=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 40Х, твердость НВ 270-280, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с использованием предлагаемого устройства в режиме импульсной нагрузки. Режимы обработки следующие: частота вращения заготовки V=80…100 м/мин, S=1,5…2,0 мм/об. Деформирующим элементом являлась пружина из термообработанной стали марки 65Г, которая изготовлялась из трубы диаметром 12 мм, толщина стенки 0,5…1 мм, наружный диаметр деформирующих витков пружины - 54 мм, число витков - 21 при шаге - 12 мм, длина выступа - 23 мм, длина впадины - 11 мм. Рабочая поверхность витков полировалась до Ra=0,08…0,16 мкм.
ст
Значения технологических факторов (частоты импульсов, 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. Величина силы статического поджатия инструмента к обрабатываемой поверхности составляла P≥2,5…4,0 кН.
Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя 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 слоев, 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.
а
Достигаемая в процессе обработки предлагаемым способом предельная величина шероховатости составляет R=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 3 раза.
Деформации витков деформирующей пружины в процессе, реализуемом устройством, благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Они приводят к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывают дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчают формирование упрочняемой поверхности.
Деформации витков инструмента способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении импульсной ударной нагрузки и деформации витков деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний размеров инструмента резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.
Упрочнение с использованием предлагаемого способа расширяет технологические возможности обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности, повышает параметр шероховатости обработанной поверхности, увеличивает ее твердость на значительную глубину, повышает производительность за счет увеличения пятна контакта большого количества деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, а также снижает себестоимость процесса и расходы на изготовление оснастки.
Источники информации, принятые во внимание
1. А.с. СССР 218681, МПК В24В 39/00. Инструмент для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрической поверхности. Б.М.Браславский. 1052441/25-8. 01.02.1966 - прототип.
2. Никифоров А.В., Сахаров В.В. Технологические возможности и перспективы чистовой и упрочняющей обработки упругим инструментом. - М., 1991. - 56 с., 26 ил. (Машиностроит. пр-во. Сер. Прогрессивные технол. процессы в машиностроении: Обзорн. информ. / ВНИИТЭМР. Вып. 5). С.29-32.
3. Патент РФ №2311279, МПК В24В 39/04. Пружинный упрочняющий инструмент. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Афанасьев Б.И. и др. Заявка 2006108722/02, 20.03.2006; 27.11.2007. Бюл. №33.