СПОСОБ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ
METHOD FOR FINISHING-STRENGTHENING PROCESSING

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статическим ударным погружением деформирующего пружинного инструмента.
Известен способ и инструмент для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрической поверхности без перемещения его вдоль обкатываемой поверхности, содержащий подпружиненный держатель и смонтированный в нем с возможностью свободного вращения деформирующий элемент, который выполнен в виде пружины с наружным диаметром, не кратным диаметру обкатываемой 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 упрочняющий инструмент для отделочной обработки поверхностным пластическим деформированием, который содержит неподвижное основание, подвижный корпус и вал, установленный на подшипниках, и 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.
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 различного диаметра с впадинами и выступами на рабочей поверхности.
Поставленная задача решается предлагаемым способом отделочно-упрочняющей обработки, включающим сообщение вращательного движения заготовки и движения продольной подачи вдоль обрабатываемой заготовки инструменту, состоящему из неподвижного основания, подвижного корпуса и вала, последний на подшипниках установлен в корпусе, при этом на валу размещен деформирующий элемент в виде винтовой пружины, а между корпусом и основанием установлен упругий элемент, создающий силу деформирования, причем валу с деформирующим элементом сообщают вращение относительно собственной оси от индивидуального привода, при этом ось вала расположена под углом скрещивания относительно продольной оси заготовки, а витки винтовой деформирующей пружины имеют различный диаметр и установлены на валу с помощью демпфирующей втулки так, что вершины наружных рабочих поверхностей в продольном сечении расположены на кривой в виде части эллипса, зависящей от угла скрещивания, при этом наружные рабочие поверхности витков деформирующей пружины имеют впадины и выступы.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.
На фиг.1 показана схема чистовой и отделочно-упрочняющей обработки цилиндрической поверхности вала по предлагаемому способу; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - продольный разрез инструмента; на фиг.4 - поперечный частичный разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - вид В на фиг.4; на фиг.6 - второй вариант конфигурации выступов в виде части шаровой поверхности, поперечный частичный разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.7 - второй вариант конфигурации выступов в виде части шаровой поверхности, вид В на фиг.4.
ст
пр
з
и
и
з
Предлагаемый способ предназначен для отделочной, чистовой и упрочняющей обработки инструментом 1 цилиндрических поверхностей 2. Обработка осуществляется специальным деформирующим элементом 3 методом ППД. Для чего инструмент деформирующим элементом прижимают к обрабатываемой поверхности 2 с определенным усилием P, т.е. создают натяг путем поперечного перемещения и сообщают продольную подачу S, а заготовке сообщают вращательное движение V. При этом сам инструмент вращается со скоростью V от индивидуального привода, установленного на корпусе (не показан). С целью улучшения шероховатости обрабатываемой поверхности соблюдено соотношение скоростей V>>V.
ст.
Инструмент 1, реализующий предлагаемый способ, содержит неподвижное основание 4 и подвижный корпус 5, между которыми установлен упругий элемент 6, создающий статическую силу деформирования PВ корпусе 5 на подшипниках 7 установлен вал 8, на центральной шейке 9 которого размещен деформирующий элемент в виде винтовой пружины 3. Наружная поверхность центральной шейки 9 в продольном сечении представляет собой кривую второго порядка - часть эллипса, а сама шейка является однополостным гиперболоидом вращения. Продольная ось вала 8 наклонена и расположена под углом скрещивания α относительно продольной оси заготовки 2. Витки винтовой деформирующей пружины 3 имеют различный диаметр и установлены на центральной шейке 9 вала 8 с помощью демпфирующей упругой втулки 10 так, что вершины наружных рабочих поверхностей в продольном сечении расположены на кривой в виде части эллипса, зависящей от угла скрещивания α. Демпфирующая упругая втулка 10 изготовлена, например, из каучука, резины, поролона и т.п. Угол скрещивания α меньше или равен углу наклона витков винтовой деформирующей пружины 3.
С целью увеличения глубины упрочненного слоя обрабатываемой поверхности заготовки 2 наружные рабочие поверхности витков пружины 3 имеют впадины и выступы, благодаря которым реализуется ударное воздействие как более эффективное, чем статическая нагрузка.
Инструмент с деформирующим элементом 3 крепится на суппорте в резцедержателе токарного станка (не показан), обрабатываемая заготовка, например, вал 2 закрепляется в патроне шпинделя передней бабки и поджимается центром задней бабки.
ст.
з
и
пр
Перед включением станка производят настройку на нужное усилие обкатывания путем поперечного перемещения основания 4. Упругий элемент 6, воздействуя на корпус 5, создает статическую силу деформирования PВключают главное движение V - вращение заготовки вала 2, а также принудительное вращение V инструмента и одновременно инструменту с деформирующим элементом сообщают поступательную продольную подачу S.
ст
ст
ст
Сущность процесса заключается в том, что деформирующий элемент 3 устанавливается с натягом относительно обрабатываемой заготовки. Статическая сила P деформирования создается упругим элементом 6, а импульсное воздействие осуществляется при набегании впадины витка деформирующей пружины на наружную поверхность заготовки, виток проваливается до дна впадины, а затем вновь выходит на выступ, все это сопровождается ударом. То есть, помимо статического воздействия P на обрабатываемую поверхность 2 деформирующие элементы 3 с впадинами и выступами оказывают импульсное ударное воздействие. При определенном (рабочем) усилии Р 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).
в
и
Каждый деформирующий виток передает импульс силы в радиальном направлении к заготовке с определенной частотой, зависящей от V, V и длины выступа и впадины. Различный диаметр витков деформирующей пружины позволяет поочередно передавать импульс силы на обрабатываемую поверхность.
Благодаря наклону инструмента на угол скрещивания α изменяется траектория движения пятна контакта деформирующего элемента с заготовкой, т.е. расширяются технологические возможности процесса ППД.
Объемная деформация заготовки незначительна.
и
Частота ударов выступов витков деформирующего элемента по заготовке зависит от его частоты вращения V, расстояния между вершинами выступов, шага пружины 3.
ст
При действии на витки деформирующего элемента только статической нагрузки P внедрение их в обрабатываемую поверхность происходит на меньшую величину, чем при импульсной ударной нагрузке, при которой внедрение инструмента в обрабатываемую поверхность происходит на большую величину.
Глубина упрочненного слоя обработанного предлагаемым способом ударного упрочнения с использованием разработанного инструмента 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 данной статической ударной обработки по сравнению с традиционным обкатыванием 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.
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 400…800 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. Обкатывание по предлагаемому способу применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58…64.
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 по предлагаемому способу определяется радиусом витка деформирующей пружины, размерами выступов и впадин, а также диаметром проволоки, из которой изготовлена деформирующая пружина. Инструмент с большим радиусом витка деформирующей пружины и диаметром проволоки 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 деформирующей пружины.
Предлагаемое ударное упрочнение, осуществляемое деформирующим элементом с большим количеством выступов, обеспечивает необходимое усилие контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью.
Изменение размера поверхности при ударном упрочнении связано со смятием микронеровностей и пластической объемной деформацией заготовки. Таким образом, точность обработанной заготовки будет зависеть от ее конструкции и конструкции устройства для ударного упрочнения, режимов обработки, а также от точности размеров, формы и качества поверхности заготовки, полученной при обработке на предшествующем переходе. Величина изменения размера зависит от состояния исходной поверхности (см. таблицу).
1. Изменение размеров поверхностей заготовки при ударном упрочнении в зависимости от шероховатости исходной поверхности
Способ предварительной обработки
Параметр шероховатости Ra, мм
Величина, на которую изменяется размер после обработки, мм
1
2
3
Точение
6,3
0,02…0,06
3,2
0,01…0,04
1,6
0,01…0,02
Точение широким бреющим резцом
3,2
0,01…0,02
1,6
до 0,01
Шлифование
3,2
0,01…0,03
1,6
0,01…0,02
При том 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 ударным упрочнением обрабатывать исходные поверхности 7…11-го квалитетов.
При поверхностно-пластическом деформировании предлагаемым ударным упрочнением 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 ударное 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.
и
з
ст
ст
2
Скорость заготовки оказывает влияние на результаты обработки и выбирается с учетом требований производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования V>>V. Обычно скорость заготовки составляет 10…50 м/мин. Значение усилия ударного упрочнения выбирают в зависимости от цели обработки. Оптимальное усилие Р (Н), соответствующее максимальному пределу выносливости, определяют по формуле: Р=500+1,66D, где D - диаметр упрочняющей поверхности заготовки.
пр в
пр
пр в
Продольную подачу при ударном упрочнении принимают 0,2…3 мм/об. Оптимальная продольная подача S на один деформирующий виток пружины не должна превышать 0,1…0,5 мм/об. Подачу на один оборот заготовки определяют по формуле: S=kS, где k - число деформирующих витков.
Смазывающе-охлаждающей жидкостью при ударном упрочнении служат машинное масло, смесь машинного масла с керосином (по 50%), сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.
Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым способом и разработанным инструментом, проведены экспериментальные исследования обработки вала на токарном станке. Значения технологических факторов (частота ударов, длина выступа и впадины, а также ее глубина, 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.
ст
Величина силы статического поджатия деформирующих элементов к обрабатываемой поверхности составляла P≥25…40 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость «сырых» образцов - HV 270…280. Глубина упрочненного 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 ударного упрочнения аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного воздействия на очаг деформации удара. При близких степенях упрочнения поверхностного слоя, величина статической составляющей нагрузки при ударном упрочнении значительно меньше.
Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя ударной 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.
Достигаемая в процессе обработки предлагаемым способом ударного упрочнения предельная величина шероховатости составляет Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.
Микровибрации в процессе благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение удара приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности.
Удары способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки.
При наложении удара деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости.
Обработка в условиях удара 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
1. А.с. СССР 218 681, МПК В24В 39/00. Инструмент для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрической поверхности. Б.М.Браславский. 1052441/25-8, 01.02.1966.
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 - прототип.