СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБРАБОТКИ ППД С ПНЕВМАТИЧЕСКИМ БУФЕРОМ
METHOD OF CENTRIFUGAL TREATMENT BY SURFACE-PLASTIC STRAINING WITH PNEUMATIC BUFFER

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам обработки импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием (ППД) и изготовлению оснастки, и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки.
Известен способ чистовой обработки поверхностей деформирующими шариками и устройство для его реализации, выполненное в виде корпуса и закрепленного на цапфах с возможностью вращения в корпусе барабана с гнездами под шарики, выполненные в виде трубки с завальцованными торцами, при этом привод вращения подсоединяется к одной из цапф, а корпус устройства располагается на шариковых опорах для перемещения [1].
Недостатками известного способа и устройства являются: быстрый износ шариков, их выкрашивание, выход из строя гнезд под шарики, особенно завальцованных торцов трубок, которые ограничивают перемещение шариков - все это снижает стойкость инструмента, резко снижает производительность, точность и качество процесса обработки.
Известен способ центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием, реализуемый инструментом с деформирующими элементами (шариками или роликами), размещенными в радиальных пазах дисков [2]. При работе элементы могут смещаться в радиальном направлении, создается натяг и за счет высокой скорости вращения диска с элементами последние наносят по поверхности заготовки многочисленные удары, пластически деформируя поверхность, и мгновенно отскакивают от нее, для удлинения срока службы инструмента под шарики устанавливают отражатели плавающие или неподвижные.
Недостатками известного способа и инструмента являются: быстрый износ шариков, их выкрашивание, выход из строя гнезд под шарики и отражателей, которые ограничивают перемещение шариков, а также сепараторов - все это снижает стойкость инструмента, резко снижает производительность, точность и качество процесса обработки.
Задача изобретения - расширение технологических возможностей центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием, снижение износа деформирующих элементов - шариков, гнезд для деформирующих элементов, сепараторов, а также повышение стойкости инструмента в целом, повышение производительности, точности и качества процесса обработки.
Это достигается предлагаемым способом центробежной обработки поверхностным пластическим деформированием, включающим сообщение заготовке вращательного движения вокруг ее оси и деформирующему устройству в виде многоэлементного обкатного инструмента продольного перемещения и вращательного движения вокруг его оси, при этом используют деформирующее устройство, содержащее вращающийся корпус в виде диска с расположенным на его торце фланцем и радиальными глухими гнездами, в которых расположены деформирующие шарики, сепаратор в виде кольца с отверстиями, установленный на периферии диска для ограничения радиального перемещения деформирующих шариков, и неподвижную при вращении корпуса пневматическую камеру со штуцером для подачи в нее воздуха, закрепленную с помощью подшипника на торце корпуса во фланце, в днище радиальных гнезд выполнены отверстия для соединения их с пневматической камерой, в стенке которой, прилегающей к торцу корпуса, выполнен паз в виде сектора, открывающий доступ сжатого воздуха в несколько радиальных гнезд с деформирующими шариками, находящимися в зоне обработки и около нее.
Особенности предлагаемого способа центробежной обработки ППД с пневматическим буфером и конструкции устройства, реализующего способ, поясняются чертежами.
На фиг.1 показана конструкция устройства для центробежной обработки ППД с пневматическим буфером, продольный разрез; на фиг.2 - поперечный разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - поперечный разрез по Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - вид с торца по В на фиг.1; на фиг.5 - общий вид сбоку; на фиг.6 - схема процесса центробежной обработки ППД шариками заготовки лопасти винта вертолета из титанового сплава.
Предлагаемый способ и устройство предназначены для центробежной обработки ППД ответственных, тяжело нагруженных металлических деталей с высокими параметрами шероховатости и твердости поверхности.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из корпуса 1 в виде диска с радиальными глухими гнездами 2 под деформирующие элементы - шарики 3. Корпус 1 имеет центральное отверстие для крепления его на оправке или шпинделе, например, шлифовального, токарного, фрезерного станков или специальной головке с индивидуальным электроприводом.
По периферии корпуса 1 установлено кольцо-сепаратор 4 с отверстиями, ограничивающими радиальное перемещение деформирующих элементов - шариков 3. Размеры отверстий в кольце-сепараторе 4 влияют на величину вылета деформирующих элементов над поверхностью кольца-сепаратора, т.е. на величину натяга h (см. фиг.6). Под деформирующими элементами - шариками 3 в днище радиальных гнезд 2 выполнены отверстия 5 и 6, соединяющие гнезда 2 с пневматической камерой 7.
P
Р
В пневматическую камеру 7 извне через штуцер 8 подается сжатый воздух под давлением Р. Пневматическая камера 7 плавающе с помощью подшипника 9, установленного во фланце 10 и закрепленного крышкой 11, смонтирована на торце корпуса 1. Конструкция крепления камеры 7 позволяет ей оставаться неподвижной на вращающемся корпусе 1. Утечки сжатого воздуха из камеры предотвращают уплотнители. В стенке, прилегающей к торцу корпуса, камеры 7 выполнен паз 12 в виде сектора. Паз 12 открывает доступ сжатого воздуха Р в несколько радиальных гнезд 2 с деформирующими элементами - шариками 3, находящимися в зоне обработки заготовки 13 и около нее, а в остальные гнезда доступ сжатого воздуха закрыт. На фиг.2 паз 12 открывает доступ сжатого воздуха Р в три радиальные гнезда 2 с деформирующими элементами - шариками 3, на которые воздействует сжатый воздух давлением Р. Таким образом, создается пневматический буфер, позволяющий избежать удары деформирующих элементов о днище радиальных гнезд при их отскоке, и повысить стойкость деформирующих элементов.
При работе элементы смещаются в радиальном направлении под действием центробежной силы и дополнительной силы Р. За счет величины h при обработке создается натяг. Корпус с элементами вращается с высокой скоростью. Элементы при этом наносят по поверхности детали многочисленные удары, пластически деформируя поверхность, и мгновенно не отскакивают от нее, а прижимаются силой Р к обработанной поверхности, предотвращая удары элементов о днище гнезд.
В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,1…0,32 мкм при исходном значении Ra=0,8…3,2 мкм. Твердость поверхности увеличивается на 30…80% при глубине наклепанного слоя 0,5…3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 400…800 МПа.
Предварительная обработка детали: шлифование до значения параметра шероховатости Ra=0,4…1,6 мкм, а также чистовое точение или растачивание поверхностей с шероховатостью Ra=3,2 мкм.
Центробежно-ударную обработку с пневматическим буфером применяют при изготовлении деталей из цветных металлов и сплавов, титана и нержавеющей стали, а также чугуна твердостью до HRC 58…64. Помимо наружных и внутренних поверхностей вращения этим устройством обрабатывают плоскости, а с применением копира - фасонные поверхности. Можно также обрабатывать прерывистые поверхности и места сопряжении поверхностей.
2
Условия центробежно-ударной обработки с пневматическим буфером следующие. Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности зависят от силы удара, величины давления Р пневматического буфера и числа ударов, приходящихся на 1 мм поверхности. Эти параметры, в свою очередь, зависят от окружной скорости диска, натяга h, размера элементов, их числа в корпусе, частоты вращения, величины подачи на один оборот заготовки и числа проходов.
Длина l гнезда, где расположен деформирующий элемент, обеспечивает полное погашение скорости отскока деформирующего элемента. Величина Р давления сжатого воздуха в гнезде обеспечивает погашение скорости отскока, чем больше Р, тем эффективнее погашение скорости отскока деформирующего элемента. Давление Р также влияет на величину деформации обрабатываемой поверхности.
Режимы центробежно-ударной обработки поверхностей шариками диаметром 7…10 мм с пневматическим буфером приведены в таблице.
Процесс наклепывания шариками с пневматическим буфером малоизучен. В конкретных случаях необходима экспериментальная отработка режимов.
При неправильно выбранном режиме может возникнуть перенаклеп поверхности и в поверхностном слое могут возникнуть растягивающие остаточные напряжения.
Для получения хороших результатов необходимо соблюдать следующие условия обработки. Необходимо обеспечивать постоянную величину натяга h. Допускаемое радиальное биение шариков (в прижатом к сепаратору состоянии), отклонения формы и радиальное биение заготовки не должны превышать 0,03…0,05 мм.
Обработка с большими натягами приводит к увеличению шероховатости поверхности, но при этом несколько увеличивается эффект упрочнения. Для получения поверхности детали высокого качества перед обработкой заготовки очищают от следов коррозии и обезжиривают. Обработку ведут с использованием СОТС. Элементы смазывают смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность детали - керосином.
Оставлять припуск под обработку не следует, так как изменение размера весьма незначительно (1…5 мкм). После обработки этим устройством точность деталей соответствует 7…9-му квалитетам.
При промышленных испытаниях обрабатывали заготовку, поз.13 (см. фиг.6), предлагаемым способом с помощью устройства, установленного в специальном электромеханическом приспособлении. Заготовка представляла собой прокат - трубу, прошедшую формирование профиля лопасти вертолетного винта, изготовленную из титанового сплава.
Исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,63 мкм; деформирующие элементы - шарики диаметром 10 мм из стали ШХ15, твердостью HRC 63…65 расположены в корпусе диаметром 2R=200 мм.
И
З
поп
пр
-1
-1
Импульсно-ударное ППД с пневматическим буфером вели на следующих режимах: окружная скорость корпуса - V=1500 мин; скорость вращения заготовки лопасти - V=5 мин, поперечная подача инструмента S=50 мм/мин, число проходов (т.е. число оборотов заготовки) - 3, натяг - h=0,2 мм; продольную S подачу осуществляли вручную при настройке; значение усилия обкатывания устанавливали порядка 170…175 Н; высота и ширина профиля заготовки изменились после обкатывания на 0,02 мм (0,01 мм на сторону); глубина наклепанного слоя находилась в пределах 0,15…0,20 мм; повышение твердости на 25…30%; при обкатывании деформирующие элементы смазывали смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность детали - керосином; стойкость инструмента повысилась на 45…55%. Контроль проводился индикаторной скобой с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68 и на профилометре мод. 283 тип АII ГОСТ 19300-86. В обработанной партии (равной 10 шт.) бракованных деталей не обнаружено. Отклонение формы обкатанной поверхности от требуемой составило не более 0,02 мм, что допустимо ТУ.
Предлагаемый способ с использованием разработанного устройства для центробежной обработки ППД с пневматическим буфером позволил расширить технологические возможности центробежной обработки ППД, снизить износ деформирующих элементов - шариков, гнезд для деформирующих элементов, сепараторов, повысить стойкость инструмента, производительность обработки, обеспечить высокую точность, снизить величину шероховатости обработанной поверхности и уменьшить себестоимость обработки.
Источники информации
1. А.с. СССР 667391, МКИ В24В 39/04. Устройство для обработки металлических поверхностей шариками. Жебелев Ю.К. и Рубин И.Л. Заявка №2564489/25-08, заявл. 06.01.78, опуб. 15.06.79. Бюл. №22.
2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т 2 / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. С.412-414.